Reflections on the role of chemical osmosis mechanisms on the long-term behavior of a collapsed salt cavity - Archive ouverte HAL Access content directly
Journal Articles Comptes Rendus. Géoscience Year : 2022

Reflections on the role of chemical osmosis mechanisms on the long-term behavior of a collapsed salt cavity

Réflexions sur le rôle des mécanismes d’osmose chimique sur le comportement à long terme d’une cavité saline effondrée

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Emmanuel Ledoux
  • Function : Author
  • PersonId : 1182723
Emmanuel Hertz
  • Function : Author
  • PersonId : 1182724
Jean-Charles Robinet
  • Function : Author
  • PersonId : 1182725
Pierre Combes
  • Function : Author
  • PersonId : 1182726

Abstract

This article focuses on the mechanisms likely to generate salt flux towards the aquifer environment from a cavity created by dissolution within a layer of salt under clay cover, until causing its collapse. This problem is encountered by salt operators, particularly in Lorraine, who exploit a salt deposit located about 200 m deep isolated from an overlying aquifer by an argillaceous layer 130 mthick. The phenomenon usually invoked to quantify a potential salt emission is the molecular diffusion along the chimney filled by disturbed materials, which are put in place above the cavity following its collapse. Recent work on chemical osmosis in clay media, motivated by research on the geologicalstorage of nuclear waste in a clay layer, raises questions about the role of this mechanism on the long-term behavior of the system. Based on a bibliographical approach, the article presents a brisk synthesis of the theory of chemical osmosis and discusses its application to the case of clayey rocks which can constitute imperfect membranes capable of generating osmotic pressures. 2 Emmanuel Ledoux et al. First, the article presents the equations representing the flow of the fluid and the solute transport according to a simplified formulation adapted to the geometry of the system. It then proposes a set of plausible parameters making it possible to carry out a steady-state modeling of the transfers along the collapsed chimney by means of a numerical resolution in finite differences. Under the conditions representative of the exploitation of the Lorraine salt deposit, the results indicate that, depending on the case, overpressures or downward flows of fresh water may appear. A brine and dissolved salt balance is established and proves to be highly dependent on the osmotic efficiency coefficient, a parameter that is difficult to assess in natural environments. However, the fluxes remain low, indicating that the chemical osmotic effect is unlikely to significantly modify the orders of magnitude of the salt fluxes evacuated into the environment following intensive exploitation of a salt layer altering the protective clay series.
Cet article s’intéresse aux mécanismes susceptibles d’engendrer des flux de sel vers l’environnement aquifère en provenance d’une cavité créée par dissolution au sein d’une couche de sel sous couverture argileuse, jusqu’à provoquer son effondrement. Ce problème est rencontré par les saliniers, notamment en Lorraine, qui exploitent un gisement de sel situé à environ 200 m de profondeur isolé d’un aquifère sus-jacent par une épaisseur d’argilite de 130 m. Le phénomène habituellement invoqué pour quantifier une potentielle émission de sel est la diffusion moléculaire le long de la cheminée comblée par des argilites remaniées, qui se met en place au-dessus de la cavité suite à son effondrement. Des travaux récents sur l’osmose chimique dans les milieux argileux, motivés par les recherches sur le stockage géologique des déchets nucléaires en couche argileuse amènent à s’interroger sur le rôle de ce mécanisme sur le comportement à long terme du système. En se basant sur une approche bibliographique, l’article présente une rapide synthèse de la théorie de l’osmose chimique et discute son application au cas des roches argileuses dont il est établi qu’elles peuvent constituer des membranes imparfaites capables d’engendrer des pressions osmotiques. Dans un premier temps l’article, présente les équations représentatives de l’écoulement du fluide et du transport de soluté selon une formulation simplifiée adaptée à la géométrie du système. Il propose ensuite un jeu de paramètres vraisemblables permettant de procéder à une modélisation en régime stationnaire des transferts le long de la cheminée d’effondrement au moyen d’une résolution numérique en différences finies. Dans les conditions représentatives de l’exploitation du gisement de sel lorrain, les résultats indiquent que, selon le cas, des surpressions ou des flux d’eau douce descendants peuvent apparaître. Un bilan en saumure et en sel dissous est établi et se révèle fortement dépendant du coefficient d’efficacité osmotique, paramètre difficile à évaluer dans les milieux naturels. Les flux restent toutefois faibles ce qui montre que l’effet osmotique chimique n’est pas susceptible de modifier notablement les ordres de grandeur des flux de sel évacués dans l’environnement suite à une exploitation intensive d’une couche salifère altérant la série argileuse protectrice du gisement.
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hal-03841443 , version 1 (07-11-2022)

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Attribution - CC BY 4.0

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Cite

Emmanuel Ledoux, Emmanuel Hertz, Jean-Charles Robinet, Pierre Combes. Reflections on the role of chemical osmosis mechanisms on the long-term behavior of a collapsed salt cavity. Comptes Rendus. Géoscience, In press, 355, pp.1 - 29. ⟨10.5802/crgeos.153⟩. ⟨hal-03841443⟩
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