Stockage géologique de CO2 : dynamique des éléments traces en contexte de fuite de CO2 proche surface et impacts sur la qualité des eaux : approche expérimentale en laboratoire et in-situ

Abstract

Afin d’atteindre l'objectif de neutralité carbone en 2050 fixé par l'Union européenne (Green Deal), le captage et le stockage du CO2 (CSC) dans des réservoirs géologiques profonds se positionnent comme une solution majeure. Bien que cette technologie CSC soit étudiée depuis plusieurs années et déjà établie à l'échelle industrielle dans certains pays, il existe un risque que le CO2 atteigne un aquifère d'eau douce sus-jacent, polluant cette ressource en eau par libération d’éléments traces en raison des interactions entre le CO2, l’eau et la roche de l’aquifère.Rattaché à cette problématique, ce travail de thèse a pour objectif d’évaluer l’impact d’une fuite de CO2 sur la chimie des eaux souterraines, et particulièrement la dynamique des éléments traces dissous dans un aquifère carbonaté d’eau douce peu profond situé à Saint-Emilion (France). Deux expériences in-situ ont été menées en période de basses et hautes eaux. Les résultats ont mis en évidence l’influence des conditions hydrogéologiques sur l’intensité de la perturbation du système et sur le déplacement du panache en raison de l’hétérogénéité physique de la roche. En condition de basses eaux, une réponse rapide du système carbonaté via l’évolution des différents paramètres physicochimiques a été observée reflétant la dissolution de la calcite. Appuyés par une modélisation géochimique, plusieurs types d’évolution des concentrations en éléments traces, en lien avec des réactions de dissolution/précipitation et d’adsorption/désorption ont été révélés. En condition de hautes eaux, l’intensité de la perturbation du système carbonaté a été limitée par un gradient hydraulique et une vitesse d’écoulement plus élevés ainsi que par un effet de dilution plus important. En complément, trois séries d’expériences en batchs en laboratoire ont été réalisées avec des sédiments carbonatés provenant du même aquifère. Les résultats ont montré une réponse immédiate du système. Plusieurs comportements des éléments traces, différents des observations in-situ, ont été observés.Au cours de ces expériences, les concentrations de certains éléments ont dépassé les normes de qualité définies pour l'eau douce naturelle à destination de la consommation humaine. Ces mêmes concentrations sont revenues rapidement à un niveau naturel, montrant ainsi le pouvoir tampon des systèmes carbonatés et leur résilience dans ces conditions expérimentales. L’ensemble des résultats présentés mettent en avant l’importance de la caractérisation précise de l’hétérogénéité physique et chimique de l’aquifère à risque, d’un suivi spatio-temporel régulier de la chimie de ses eaux souterraines, de la caractérisation précise des chemins préférentiels d’écoulement, ainsi que de la minéralogie des sédiments.