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Marc-André Ducharme

 

Étudiant 2è cycle

Département de géographie, Université Laval

Pavillon Abitibi-Price
2405 rue de la Terrasse
Université Laval
Québec
Québec, Canada
G1V 0A6

418. 261.3227
marc-andre.ducharme.1@ulaval.ca

 

 


 
 
 

Projet de recherche

Caractérisation du pergélisol par le biais d´une nouvelle technologie: estimation de la conductivité thermique à l´aide de la tomodensitométrie

Défini comme un sol ou une roche demeurant sous 0°C pour une longue période de temps, le pergélisol (i.e. un sol gelé en permanence) couvre la majeure partie de l’Arctique. Il se retrouve dans pratiquement tous les types de surface géologique et de matériel solide comme le roc, le gravier, le sable, le silt, l’argile et la tourbe. Le pergélisol contient également de glace en quantité variable et se retrouve sous différente forme (lentille, coins de glace, pingo, etc.). Des exigences structurales et thermiques sont à considérer lors des constructions nordiques et exigent une connaissance précise des propriétés thermiques et géotechniques du pergélisol. Ces propriétés sont également nécessaires afin d’alimenter les modèles de prédiction de dégel et de transfert de chaleur. Des études antérieures (Calmels et Allard, 2008 et Calmels, 2010) ont démontré le grand potentiel de la tomodensitométrie comme outil de mesure. L’utilisation du CT-scan permet de classifier et de mesurer les volumes des composants du pergélisol, à savoir les sédiments (solide), la glace et les gaz (vide). Cette nouvelle technologie permet également la visualisation de l’organisation structurale du pergélisol (cryostructure) et dans une certaine mesure, en fonction de la résolution du système, d´apprécier l’organisation des particules glace-sol (cryotexture). Une nouvelle approche pour mesurer la conductivité thermique du pergélisol est en cours de développement combinant des modèles de conductivité thermique éprouvés (Schwerdtfeger, 1963; Farouki, 1981; Côté et Konrad, 2005) et des analyses de tomodensitométrie. Les objectifs de mon étude sont : (1) présenter l’application d’une approche novatrive et non destructive par CT-scan pour estimer la conductivité thermique des échantillons de pergélisol non perturbés et (2) de valider les résultats calculés à partir de l’analyse d’image CT-scan avec un montage expérimental (fluxmètre) mesurant la conductivité thermique de l’échantillon. Je propose un modèle en trois étapes qui intègre le type de sol, la porosité de la glace (volume d’air inclus) et la cryostructure des échantillons pour évaluer le potentiel de la méthode proposée. Pour ce faire, 20 échantillons de pergélisol avec différentes cryotextures et cryostructures (French et Shur, 2010), variant d’un sol fin homogène avec lentilles de glace stratifiées à un diamictons grossier avec de la glace interstitielle sont utilisés pour les essais. Ces specimens ont été extraits de divers environnements sédimentaires (glaciaire, marin, organique, etc.) dans les régions du Nunavik et du Nunavut. Les échantillons de carottes sont analysés en utilisant un scanneur de type Siemens Somatom 64 ™ à l’Institut National de la Recherche Scientifique (INRS) à Québec. Les échantillons sont analysés sur toute leur longueur avec une épaisseur de coupe de 0,4 mm. Selon le diamètre de la carotte (100 mm), une résolution de 0,1 X 0,1 mm par pixel a été obtenu. En sélectionnant une gamme d’intensité tomographique correspondant à chacune des composantes du sol (sédiments, glace et gaz) (Clavano et al., 2011), la classification de voxel et la quantification des composants de l’échantillon sont obtenues en utlisants le logiciel ORS Visual © pour ainsi obtenir les données nécessaires aux modèles. Les tests de conductivité thermique sont réalisés au Laboratoire de géotechnique de l’Unviversité Laval, suivant le montage expérimental de Côté et Konrad (2005). Les tests sont effectués à l’intérieur d’une cellule entourée par une boîte isolée et maintenue à une température d’environ -8 °C. Les limites de température dans la partie supérieure (-4 °C) et inférieure (-12 °C) des carottes ont été maintenues avec deux échangeurs de chaleur indépendants afin de créer un flux de chaleur vertical à travers l’échantillon (Côté et Konrad, 2005). Chaque carotte est testée sur une période minimale de 24 heures afin d’obtenir une valeur de conductivité thermique fiable. Le CT-scan utilisé dans cette étude offre une résolution de voxel plus grande que la porosité des sédiments fins comme le silt et l’argile, ce qui résulte à une sous-estimation de la glace interstitielle et du volume d’air qui en revanche affecte la prédiction de la conductivité thermique effective. Néamoins, les résultats comparatifs entre la conductivité dérivée du CT-scan et les résultats de la cellule de conductivité thermique démontrent un grand potentiel. D’après l’étude préliminaire effectuée en juillet 2013, 7 échantillons sur 9 ont une marge d’erreur de moins de 20%. D’autres travaux de validation sont également prévus par l’emploi d’analyse en laboratoire conventionnelles tel que la granulométrie, la détermination de la teneur en eau, essai au bleu méthylène (surface spécifique) et la minéralogie. Ces propriétés physiques mesurées amélioreront la compréhension du rôle que joue la composition du pergélisol (sédiment, glace, gaz) et la cryostructure sur la conductivité thermique dérivée des résultats tomodensitométriques.

 
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