Geoelectrical characterization of water distribution and dynamics in unsaturated frozen soils

With the intensification of global climate change, permafrost degradation, which affects hydrological processes, ecosystem integrity, and infrastructure stability. Repeated phase transitions of pore water during freeze-thaw cycles results in frost cracking in frozen porous materials, further accelerating permafrost degradation and potentially exacerbating global climate change. Geo-electrical methods (e.g., Spectral Induced Polarization), as non-destructive techniques with a wide ranges of approaches, are widely used to investigate the pore structure, hydrological, and thermodynamic characteristics of permafrost environments. This thesis comprehensively explores the application of spectral induced polarization in frozen environments through both theoretical modeling and laboratory experiments. The first part of thesis develops new capillary bundle models to describe the effects of surface conduction at different water interfaces, water saturation, salinity, and hysteresis on the electrical conductivity of frozen porous media.

A series of laboratory experiments are carried out using an electrical resistance apparatus and the nuclear magnetic resonance method for validating the proposed models. The fitting results show an excellent agreement between the predicted values and the experimental dataset, indicating that the new physically-based models can effectively predict the variation of the electrical conductivity in cold regions.

The second part of thesis presents a series of experimental, theoretical, and modeling investigations using spectral induced polarization to characterize the coupled effects of initial water content and clay mineralogy on soil cracking behaviors and complex conductivity under freeze-thaw cycling and desiccation processes. Experimental results show that freeze-thaw cycle significantly influences the morphological and intersection patterns of surface cracks during desiccation. Initial moisture contents and clay mineralogy notably affect the water evaporation and surface crack pattern in clayey soils. Both components of complex conductivity are linearly sensitive to surface crack ratio and gravimetric water content, exhibiting a similar decay behavior with drying time.

These findings quantitatively characterize the relationship between geophysical and geological parameters of clayey soils during desiccation, offering new insights and monitoring methods for studying clay slope stability and its interaction with global climate change.

Caractérisation géoélectrique de l’hydrodynamique et de la distribution dans des sols gelés non saturés

Avec l’intensification du changement climatique mondial, la dégradation du pergélisol affecte les
processus hydrologiques, l’intégrité des écosystèmes et la stabilité des infrastructures. Les transitions
de phase répétées de l’eau interstitielle pendant les cycles de gel-dégel provoquent des fissures par le
gel dans les matériaux poreux gelés, ce qui accélère davantage la dégradation du pergélisol et peut
potentiellement aggraver le changement climatique global. Les méthodes géoélectriques, telles que la
polarisation provoquée spectrale, en tant que techniques non destructives aux multiples approches,
sont largement utilisées pour étudier la structure des pores, les caractéristiques hydrologiques et
thermodynamiques des environnements gelés. Cette thèse explore de manière approfondie l’application
de la polarisation provoquée spectrale dans les milieux gelés à travers des modélisations théoriques et
des expériences en laboratoire.

La première partie développe de nouveaux modèles de faisceaux
capillaires pour décrire les effets de la conduction de surface aux interfaces aqueuses, de la saturation
en eau, de la salinité et de l’hystérèse sur la conductivité électrique des milieux poreux gelés. Une série
d’expériences en laboratoire ont été réalisées à l’aide d’un dispositif de résistance électrique et de la
résonance magnétique nucléaire afin de valider les modèles proposés. Les résultats montrent un
excellent accord entre les valeurs prédites et les données expérimentales, indiquant que ces modèles
physiques permettent de prédire efficacement les variations de conductivité électrique dans les régions
froides.

La seconde partie de la thèse présente une série d’études expérimentales, théoriques et de modélisation, utilisant la polarisation provoquée spectrale pour caractériser les effets couplés de la
teneur en eau initiale et de la minéralogie de l’argile sur les fissurations du sol et la conductivité
complexe lors des processus de gel-dégel et de dessiccation.

Les résultats expérimentaux montrent
que les cycles de gel-dégel influencent fortement les motifs morphologiques et d’intersection des
fissures en surface. L’humidité initiale et la minéralogie de l’argile affectent également l’évaporation de
l’eau et la formation des fissures. Les deux composantes de la conductivité complexe sont linéairement
sensibles au taux de fissuration et à la teneur en eau pondérale et présentent un comportement de
décroissance similaire au fil du temps de séchage.

Lieu
Sorbonne Université
Campus Pierre et Marie Curie
Amphithéâtre Herpin
Bâtiment Esclangon
4 place Jussieu 75005 Paris

• M. Damien JOUGNOT – Sorbonne Université SIS (Sciences, Ingénierie, Santé) Directeur de thèse
• M. James IRVING – University of Lausanne Rapporteur
• Mme Chi ZHANG – University of Vienna Rapporteure
• M. Philippe COSENZA – Ecole Nationale Supérieure d’Ingénieurs de Potiers-ENSI Poitiers Examinateur
• M. Fayçal REJIBA Délégué scientifique CNRS/INSU Examinateur
• Mme Anne JOST – Sorbonne Université, UMR 7619 METIS Co-directrice de thèse
• M. Emmanuel LEGER – Géosciences Paris-Saclay (GEOPS), Université Paris-Saclay Invité
• Mme Agnès RIVIERE GEOSCIENCES – Centre de Géosciences, Mines Paris – PSL Invitée