Porosité

On distingue ainsi la porosité de pores (ou « porosité primaire ») et la porosité de fissures (ou « porosité secondaire ») :

• un pore est un espace dont les dimensions dans les trois directions de l'espace sont similaires, il peut s'agir de l'espace entre les grains d'une roche sédimentaire (gravier ou sable par exemple) ou d'espaces internes au matériau (dans le charbon, les schistes ou le charbon de bois par exemple) ;
• une fissure est un espace vide dont la dimension dans une direction de l'espace est nettement inférieure à celles dans les deux autres. La porosité de fissure provient des contraintes mécaniques ou thermiques subies par le matériau au cours des âges (ou à la suite de travaux qui ont perturbé l'équilibre de compression/décompression). Une forte porosité secondaire augmente la vitesse de transit du fluide et diminue les capacités de filtration/rétention du substrat. Dans l'industrie pétrolière et gazière ou dans d'autres contextes (ex : stimulation d'un captage par forage d'eau), la fracturation hydraulique de la roche vise à en augmenter la « porosité de fracture » : résultant en une augmentation de la macro-porosité, et un amoindrissement de la micro-porosité ;
• la métallurgie des poudres permet (par frittage) de produire des métaux poreux[1] ;
• une autre forme de porosité peut résulter d'une condensation de « lacunes » dans un cristal. Il s'agit en général de pores fermés, situés au sein d'un cristal ou à ses interfaces joint de grain (interface métal/oxyde...), qui nécessitent des techniques de mesure de taux de porosité spécifiques[2].

L'eau gravitaire circule dans la macroporosité qui ne retient que l'air. L'eau capillaire qui occupe la mésoporosité et l'eau pelliculaire qui occupe la microporosité, favorisent la rétention hydrique. Les pédologues estiment qu'une porosité totale de 40 % (2 volumes de trous pour 3 volumes de composants solides) et une macroporosité de 10 % sont un minimum pour que l'oxygène ne limite pas la respiration racinaire, mais ces valeurs dépendent de la connectivité porale[3] (degré de relation des pores)[4].

La vase atteint une porosité totale de 60 à 80 % avec une tendance à augmenter en condition de séchage. L'embourbement résulte du rôle de la micro- et mésoporosité dans le piégeage de la phase mouillante.

On peut distinguer les pores par la taille, et ainsi l'IUPAC définit les porosités suivantes[5] :

• microporosité : relatif aux pores dont le diamètre n'excède pas les 2 nanomètres ;
• mésoporosité : relatif aux pores dont le diamètre est compris entre 2 et 50 nanomètres ;
• macroporosité : relatif aux pores dont le diamètre est supérieur à 50 nanomètres.

La « porosité multimodale » est celle de solides comportant deux types de porosité (micro-mésoporeux par exemple).
Dans le cas de pores connectés, le fluide contenu dans les pores s'écoule beaucoup plus rapidement dans les pores de grande taille, formant la macroporosité (écoulement de l'eau), que dans ceux de petite taille, formant la microporosité (forces de capillarité retenant l'eau). La macroporosité favorise l'aération des sols et la fourniture d'oxygène aux organismes vivants du sol, la microporosité constitue un réservoir d'eau et d'échanges de nutriments pour ces organismes[6]. L'eau de gravité (appelée aussi eau libre ou eau de saturation) contenue dans les espaces lacunaires (entre les agrégats) qui s'écoule par gravité vers la nappe, emprunte la macroporosité et s'écoule verticalement à des vitesses fonction du diamètre des pores. Le point de ressuyage (quantités d'eau maximum que le sol peut retenir) correspond à la fin d'écoulement de l'eau par gravité et à l'eau utilisable pour les plantes (notion de réserve utile en eau d'un sol). Il est obtenu lorsque l'eau capillaire (dite aussi eau funiculaire) qui remplit les espaces lacunaires de la mésoporosité est abondamment trempée par les précipitations, les arrosages ou les irrigations. Cela prend en général 2 à 3 jours après qu’une pluie a gorgé le sol en eau dans des sols perméables et de structure et texture uniformes[7]. Les racines absorbent cette eau jusqu'au point de flétrissement temporaire (caractéristique des espèces végétales et de chaque variété), réversible, puis jusqu'au point de flétrissement permanent qui est atteint lorsque la force de rétention de l'eau par les particules du sol (eau pelliculaire retenue sous forme de films très minces autour des particules) égale la force de succion maximale exercée par la plante[8]. La quantité d'eau théoriquement utilisable est la différence d'humidité entre le point de ressuyage et le point de flétrissement.

Les pédologues distinguent la porosité biologique ou tubulaire (biopores générés par l'activité biologique[9]), la porosité texturale (microporosité créée par l'assemblage des particules) et la porosité structurale (macroporosité entre les agrégats, intégrant la porosité fissurale[10], biologique, voire d'origine culturale)[11] - [12].

Dans le contexte de l'exploitation de ressources souterraines on distingue :

• porosité occluse ou fermée : c'est la porosité des pores non accessibles par les agents extérieurs (inutilisables pour l'exploitation de la ressource) ;
• porosité libre : par opposition à la porosité occluse ou fermée ;
• porosité piégée : c'est une porosité libre ne permettant pas la récupération des fluides piégés ;
• porosité utile : c'est la porosité qui permet la récupération de la phase piégée (terme principalement utilisé par les pétroliers) ;
• porosité résiduelle : c'est la porosité due aux pores ne communiquant pas entre eux ou avec le milieu extérieur ;
• porosité totale : c'est la somme de la porosité utile et de la porosité résiduelle ;
• porosité efficace : c'est un terme surtout employé en hydrogéologie, qui caractérise le réseau de pores où l'eau circule et est récupérable.

Elles peuvent capter et stocker des gaz ou liquides. On les dit « roches réservoirs » . Ce fluide peut être du gaz naturel, du pétrole, du bitume ou de l'eau ; il peut être arrivé naturellement (réserves naturelles de pétrole ou de gaz) ou avoir été injecté par l'homme (stockages souterrains).

Les modèles statistiques consistent à définir une fonction de points f(M), où M est un point dépendant des coordonnées d'espaces.

On attribue alors la valeur 1 à la fonction si le point M se situe dans le vide, et la valeur 0 si le point se situe dans le solide.

Ces modèles permettent de modéliser dans l'espace la porosité d'un matériau. Cependant ils donnent de mauvais résultats qualitatifs.

Ce modèle permet de modéliser la porosité mais également la perméabilité. Il consiste à définir un certain nombre de capillaires droits qui traversent le matériau. Ce modèle est satisfaisant conceptuellement mais dans la pratique il représente mal la réalité. En effet, les capillaires sont droits et ne communiquent pas entre eux.

Rose et Bruce ont amélioré ce modèle en prenant en compte la tortuosité « Τ » des capillaires.

On distingue :

• les mesures sur échantillons non-remaniés ;
• les mesures sur des échantillons remaniés.

Il existe une seule méthode qui est dite "de sommation des fluides". Elle implique d'enrober l'échantillon (avec de la paraffine par exemple) à la sortie du carottage, pour que les fluides présents dans la porosité ne s'échappent pas.

Les volumes d'air sont mesurés à l'aide d'un porosimètre à mercure. Les volumes d'eau et d'hydrocarbures sont mesurés par distillation fractionnée à température ordinaire.

En laboratoire, les échantillons doivent être dans le même état physique avant de réaliser les mesures, ce qui impose de les préparer. Il faut tout d'abord extraire les fluides de l'échantillon, avec, par exemple :

• un extracteur de Soxhlet ;
• un extracteur de Dean-Stark ;
• une extraction par centrifugation ;
• une extraction par distillation sous vide.

• Mensuration
• Mesure à l'aide d'une pompe volumétrique
• Mesure par poussée d'Archimède

• Utilisation d'un pycnomètre
• Méthode d'immersion
• Utilisation d'une chambre de compression

Il s'agit d'injecter sous pression un volume de mercure à l'échantillon.

Le mercure remplit les vides d'un échantillon du matériau préalablement séché. Il ne reste qu'à regarder le volume de mercure injecté pour avoir le volume des pores ainsi que la distribution de la taille des pores.

Une sonde envoie des neutrons dans un puits. Ceux-ci se réfléchissent sur les hydrogènes de l'eau et reviennent à un récepteur ralentis. Le capteur compte le nombre de neutrons revenus. Cette méthode n'est pas fiable pour les sols contenant une trop grande fraction d'argiles. De plus elle a l'inconvénient de faire l'hypothèse que le sol est saturé en eau.

À l'exception des argiles, les matériaux usuels du sol sont isolants, mais l'électricité circule dans la phase mouillée du sol.

De ce fait, en faisant l'hypothèse de sols saturés en eau, la résistivité du sol sera fonction de la porosité.

• Équilibre et transferts en milieux poreux. Livre sur HAL par Jean-François Daïan