Objectifs
- Comprendre la définition de la porosité et de la perméabilité
- Identifier les différents types de porosité
- Analyser les facteurs influençant la porosité et la perméabilité
- Appliquer la loi de Darcy dans des situations pratiques
- Évaluer l'importance de ces propriétés en hydrogéologie
Prérequis
- Connaissances de base en géologie
- Notions de physique des fluides
Introduction
La porosité et la perméabilité sont deux propriétés physiques fondamentales des roches et des sols. Elles jouent un rôle majeur en hydrogéologie, en géologie pétrolière, en géotechnique et dans l'étude des réservoirs souterrains.
La porosité représente la capacité d'une roche à contenir un fluide, tandis que la perméabilité caractérise sa capacité à laisser circuler ce fluide.
Ces deux notions sont liées, mais elles ne doivent pas être confondues : une roche peut être très poreuse tout en étant très peu perméable.
1. La porosité
1.1. Définition
Une roche ou un sol n'est généralement pas constitué uniquement de matière solide. Il existe entre les grains, les cristaux ou dans les fractures des espaces vides appelés pores.
La porosité correspond à la proportion du volume total d'une roche occupée par ces espaces vides.
Elle est généralement exprimée en pourcentage :
n = (Vp / Vt) × 100
avec :
- n : porosité en % ;
- Vp : volume des pores ;
- Vt : volume total de l'échantillon.
Exemple
Un échantillon de roche possède un volume total de 100 cm³ et contient 25 cm³ de pores.
Sa porosité est donc :
n = (25 / 100) × 100 = 25 %
Cela signifie que 25 % du volume de la roche correspond à des espaces vides susceptibles de contenir de l'eau, de l'air ou d'autres fluides.
2. Les différents types de porosité
2.1. La porosité primaire
La porosité primaire apparaît au moment de la formation de la roche.
Dans une roche sédimentaire détritique comme un grès, elle correspond principalement aux espaces laissés entre les grains lors du dépôt des sédiments.
Elle dépend notamment :
- de la taille des grains ;
- de leur forme ;
- de leur arrangement ;
- du degré de tri des sédiments ;
- de la compaction ;
- de la cimentation.
Un sable bien trié peut ainsi présenter une porosité relativement importante.
2.2. La porosité secondaire
La porosité secondaire apparaît après la formation de la roche.
Elle peut être provoquée par différents phénomènes géologiques :
- fracturation ;
- dissolution ;
- altération ;
- tectonique ;
- karstification.
Les calcaires constituent un bon exemple. Leur dissolution par les eaux légèrement acides peut produire des fissures, des cavités et parfois de vastes réseaux karstiques.
3. Porosité totale et porosité efficace
Tous les pores d'une roche ne participent pas nécessairement à la circulation des fluides.
On distingue donc deux notions.
Porosité totale
La porosité totale prend en compte l'ensemble des espaces vides présents dans la roche, qu'ils soient connectés ou non.
Porosité efficace
La porosité efficace correspond uniquement aux pores suffisamment connectés pour permettre la circulation d'un fluide.
Cette distinction est particulièrement importante en hydrogéologie.
Une roche peut avoir une porosité totale importante mais une porosité efficace faible si une grande partie de ses pores est isolée.
4. Les facteurs contrôlant la porosité
La taille des grains
Contrairement à une idée fréquente, la taille des grains ne détermine pas à elle seule la porosité.
Un assemblage de grosses sphères identiques et un assemblage de petites sphères identiques peuvent théoriquement présenter une porosité comparable.
Le tri granulométrique
Le tri joue un rôle particulièrement important.
Dans un sédiment bien trié, les grains ont approximativement la même taille et laissent des espaces entre eux.
Dans un sédiment mal trié, les petits grains peuvent occuper les espaces laissés entre les gros grains. La porosité diminue alors généralement.
La forme et l'arrangement des grains
La géométrie et l'empilement des grains déterminent également la quantité d'espace disponible entre eux.
La compaction
Lors de l'enfouissement des sédiments, la pression exercée par les couches supérieures rapproche les grains.
Le volume des pores diminue progressivement.
La cimentation
La précipitation de minéraux dans les pores peut également réduire fortement la porosité d'une roche.
5. La perméabilité
5.1. Définition
La perméabilité représente la capacité d'une roche ou d'un matériau poreux à laisser circuler un fluide à travers son réseau de pores et de fractures.
Pour qu'une roche soit perméable, il ne suffit donc pas qu'elle possède des pores : ceux-ci doivent être connectés entre eux.
La perméabilité dépend notamment :
- de la taille des pores ;
- de leur géométrie ;
- de leur degré de connexion ;
- de la présence de fractures ;
- de la tortuosité des chemins empruntés par le fluide.
6. La loi de Darcy
La circulation de l'eau dans un milieu poreux saturé peut être décrite, dans de nombreuses situations, par la loi de Darcy.
Elle peut s'écrire :
Q = K × A × (Δh / L)
avec :
- Q : débit d'eau ;
- K : conductivité hydraulique ;
- A : surface traversée ;
- Δh : différence de charge hydraulique ;
- L : longueur du trajet parcouru.
Le rapport Δh/L correspond au gradient hydraulique.
La conductivité hydraulique dépend à la fois des propriétés du milieu poreux et des caractéristiques du fluide.
Elle ne doit donc pas être strictement confondue avec la perméabilité intrinsèque, qui caractérise le matériau indépendamment du fluide considéré.
7. Relation entre porosité et perméabilité
Porosité et perméabilité sont souvent liées, mais leur relation n'est pas directe.
Une roche très poreuse n'est pas nécessairement très perméable.
Exemple du sable
Dans un sable, les pores situés entre les grains sont généralement relativement grands et bien connectés.
Le sable peut donc présenter :
une porosité importante + une perméabilité importante.
Exemple de l'argile
Les argiles peuvent présenter une porosité importante en raison de la présence d'un très grand nombre de pores microscopiques.
Cependant, ces pores sont extrêmement petits et la circulation de l'eau y est très lente.
Une argile peut donc présenter :
une porosité importante + une très faible perméabilité.
Exemple d'une roche fracturée
Une roche compacte peut posséder une faible porosité dans sa matrice mais être traversée par de nombreuses fractures connectées.
Elle peut alors présenter :
une faible porosité matricielle + une perméabilité importante liée aux fractures.
8. Quelques comportements caractéristiques
| Matériau | Porosité | Perméabilité |
|---|---|---|
| Gravier | moyenne à élevée | très élevée |
| Sable | moyenne à élevée | élevée |
| Grès | variable | variable |
| Argile | souvent élevée | très faible |
| Calcaire massif non fracturé | généralement faible | faible |
| Calcaire fracturé ou karstifié | variable | potentiellement très élevée |
| Granite sain | très faible | très faible |
| Granite fracturé | faible porosité matricielle | perméabilité pouvant devenir importante |
Ces valeurs restent qualitatives : les propriétés réelles peuvent varier considérablement selon l'histoire géologique, la fracturation, la granulométrie et la diagenèse.
9. Importance en hydrogéologie
La porosité et la perméabilité permettent notamment de comprendre la formation et le fonctionnement des aquifères.
Un aquifère est une formation géologique capable de stocker de l'eau et d'en permettre une circulation suffisamment importante pour pouvoir éventuellement l'exploiter.
Les sables, les graviers, certains grès ainsi que les calcaires fracturés ou karstifiés peuvent constituer d'excellents aquifères.
À l'inverse, des formations très peu perméables comme certaines argiles peuvent jouer le rôle de couches confinantes et limiter fortement la circulation verticale de l'eau.
10. Application aux ressources pétrolières et gazières
Ces propriétés sont également essentielles dans l'étude des réservoirs d'hydrocarbures.
Une roche réservoir doit disposer d'espaces permettant de stocker les hydrocarbures et d'une connectivité suffisante pour permettre leur déplacement.
La porosité influence donc principalement la capacité de stockage, tandis que la perméabilité contrôle en grande partie la facilité de circulation des fluides.
11. Mesure de la porosité
La porosité peut être déterminée par différentes méthodes en laboratoire ou par des mesures indirectes.
Parmi les méthodes utilisées figurent :
- les mesures de volume et de densité ;
- la saturation en fluide ;
- la porosimétrie ;
- l'analyse d'images ;
- certaines méthodes géophysiques réalisées dans les forages.
Dans les études de réservoirs, plusieurs techniques peuvent être combinées afin d'obtenir une meilleure caractérisation de la roche.
12. Mesure de la perméabilité
La perméabilité peut être mesurée en laboratoire à l'aide d'un perméamètre.
Le principe consiste généralement à faire circuler un fluide à travers un échantillon de roche et à mesurer le débit obtenu sous un gradient de pression connu.
Sur le terrain, des essais hydrauliques, notamment les essais de pompage, permettent d'étudier les propriétés hydrodynamiques d'un aquifère à une échelle beaucoup plus grande.
À retenir
La porosité représente la proportion d'espaces vides présents dans une roche ou un sol.
La perméabilité représente la capacité du milieu à laisser circuler un fluide.
La présence de nombreux pores ne garantit pas une forte perméabilité : leur taille et surtout leur connexion sont déterminantes.
Ainsi :
Porosité → capacité de stockage
Perméabilité → capacité de circulation
Ces deux propriétés sont fondamentales pour comprendre la circulation des eaux souterraines, le fonctionnement des aquifères et le comportement des réservoirs géologiques.
