Voir la source de Porosité

La '''porosité'''<ref>{{Lien web |auteur=JM Vallée |titre=Etude de la prorsité et de la perméabilité |url=https://eduterre.ens-lyon.fr/nappe/html/scenarii/TP |site=Eole Normale Supèrieure de Lyon |date=24 mars 2005 |consulté le=23 novembre 2023}}</ref> est l'ensemble des vides (pores) d'un [[matériau]], ces vides sont remplis par des fluides ([[liquide]]s ou [[gaz]]). Les matériaux poreux sont très généralement des [[état solide|solides]], mais il existe aussi des [[liquide poreux|liquides poreux]] et des assemblages qui sont poreux, tels que les tas de grains ou les poudres<ref name=":0" />. La porosité est aussi une [[grandeur physique]] définie comme le rapport entre le volume des vides et le volume total d'un milieu poreux, sa valeur est comprise entre 0 et 1 (ou, en pourcentage, entre 0 et 100 %) :
:<math>\varphi=\frac{V_\mathrm{pores}}{V_\mathrm{total}}</math>
où :
* <math>\varphi</math> est la porosité,
* <math>V_\mathrm{pores}</math> le volume des [[Pore (cristallographie)|pore]]s,
* et <math>V_\mathrm{total}</math> le volume total du matériau, c'est-à-dire la somme du volume de solide et du volume des pores.
La porosité d'un substrat conditionne ses capacités d'écoulement et de rétention (voir aussi « [[Loi de Darcy]] »). :

== Type de porosité ==
[[Fichier:PM.Hydro2.jpg|thumb|alt= id Hydrosout|Vides des roches — formes de l’eau souterraine ([[hydraulique souterraine]]).]]
La porosité peut avoir diverses origines, propre au matériau et à son évolution dans le temps, ce qui conduit à des pores de taille et de géométrie différentes, plus ou moins interconnectés.

=== {{refnec|Selon la forme et l'origine des pores|texte=quelle source de synthèse de qualité recense ces distinctions ?}} ===
{{Qui|On}} distingue ainsi la porosité de pores (ou « [[porosité primaire]] »)  et la porosité de [[fissure (matériau)|fissure]]s (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 (matière)|fluide]] et diminue les capacités de [[filtration]]/rétention du substrat. Dans l'[[industrie pétrolière]] et [[Industrie gazière|gaz]]ière 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<ref>Jernot J.P (1985) ''Analyse morphologique des milieux poreux''. In Annales de chimie (Vol. 10, No. 4, {{p.|319-330}}). Lavoisier.</ref> ;
* une autre forme de porosité peut résulter d'une condensation de « [[lacune (cristallographie)|lacune]]s » 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<ref>{{Lien web|titre=La mesure du taux de porosité sur pièce|url=https://metalblog.ctif.com/2017/06/01/la-mesure-du-taux-de-porosite-sur-piece/|site=MetalBlog|date=01 juin 2017}}</ref>.
* Les matériaux granulaires<ref name=":0">{{Lien web |auteur=Cendrine Gatumel et al. |titre=Science et technologie des poudres |url=https://nte.mines-albi.fr/STP/fr/co/uc_Introduction.html |site=Ecole des Mines d'Albi |date=2 juillet 2019 |consulté le=27 novembre 2023}}</ref> utilisés dans les procédés chromatographiques (procédés d'[[adsorption]] des gaz et des liquides, procédés d'[[Échangeur d'ions|échanges d'ions]], procédés chromatographiques de séparation et de purification…) sont très poreux car ils fonctionnent soit par leur surface interne soit par des groupements fonctionnels situés dans le volume du grain. La porosité est essentielle car elle permet l'accès des molécules aux surfaces et groupements à l'intérieur du grain. Il y a deux grands types de matériaux : les charbons actifs et les résines ou gels. Le [[charbon actif]] est produit à partir de bois, de noix de coco et de [[houille]]. Les charbons ont les micro et mésoporosité du matériau d'origine ce qui conduit à des surfaces spécifiques très importantes (typiquement, plus de {{unité|1000|m|2}}/g). Les résines échangeuses d'ions et les gels sont des polymères réticulés, c’est-à-dire dont les chaînes sont espacées par une chaîne secondaire (polystyrène – [[divinylbenzène]], acrylique…). La porosité est constituée par l'espace entre les chaînes du [[polymère]]. Elle atteint 80 % du volume du grain. Pour faciliter l'accès, on peut aussi créer des macropores au moment de la polymérisation, sortes "d'autoroutes" facilitant le transfert.
{{loupe|Pore (cristallographie)}}

=== Selon la taille des pores ===
On peut distinguer les pores par leurs tailles, car celles ci leurs confèrent des propriétés différentes. Les classes de tailles utilisées varient selon les domaines :

==== Physique des milieux continus ====

En physique des milieux continus, l'[[IUPAC]] définit les porosités suivantes<ref>{{article|langue=en|auteur=J. Rouquerol ''et al.'' |titre=Recommendations for the characterization of porous solids (Technical Report)|journal=Pure & Appl. Chem|volume=66|année=1994|pages=1739–1758|url=http://www.iupac.org/publications/pac/66/8/1739/pdf/|format=free download pdf|doi=10.1351/pac199466081739}}</ref> :
* '''microporosité''' : relatif aux pores dont le diamètre n'excède pas les 2 [[Mètre#Multiples_et_sous-multiples_du_mètre|nanomètres (nm)]] ;
* '''[[Matériau mésoporeux|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.

==== Sciences des sols ====
[[Fichier:États de l'eau dans le sol.svg|vignette|redresse=1.7|L'eau gravitaire circule dans la macroporosité qui ne retient que l'air. L'eau [[Capillarité|capillaire]] qui occupe la mésoporosité et l'[[Eau liée|eau pelliculaire]] qui occupe la microporosité, favorisent la rétention hydrique. Les [[Pédologie (géoscience)|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<ref>Porosité « ouverte » lorsque les pores sont connectés entre eux, porosité « fermée » lorsqu'ils sont sans communication.</ref> (degré de relation des pores)<ref>{{ouvrage|auteur=[[Marc-André Selosse]]|titre=L'origine du monde. Une histoire naturelle du sol à l'intention de ceux qui le piétinent|éditeur=Actes Sud Nature|date=2021|passage=150}}.</ref>.]]
[[Fichier:Watt1.jpg|vignette|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.]]
En [[Sol (pédologie)|science du sol (pédologie)]] les classes utilisées sont les suivantes<ref>https://sols-et-territoires.org/fileadmin/user_upload/archive/Produits_Reseau/documents_etudes/resultats_Axe2/Guide_ReservoirUtilisable_2022.pdf</ref>:
* '''microporosité''' : relative aux pores dont le diamètre n'excède pas les 2 [[Mètre#Multiples_et_sous-multiples_du_mètre|micromètres (µm)]] ;
* '''[[Matériau mésoporeux|mésoporosité]]''' : relative aux  pores dont le diamètre est compris entre 2 et 50 micromètres ;
* '''macroporosité''' : relative aux pores dont le diamètre est supérieur à 50 micromètres.

La « porosité multimodale » est celle de solides comportant deux types de porosité (micro-mésoporeux par exemple).<br />Dans le cas de pores connectés, le [[fluide (matière)|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 [[Biodiversité du sol|organismes vivants du sol]], la microporosité constitue un réservoir d'eau et d'échanges de [[nutriment]]s pour ces organismes<ref>{{Ouvrage|auteur1=Michel-Claude Girard, Christian Schvartz, Bernard Jabiol|titre=ÉEtude des sols. Description, cartographie, utilisation|éditeur=[[Éditions Dunod|Dunod]]|année=2011|passage=92|isbn=|lire en ligne={{Google Livres|8Hv6PGr97xwC}}}}.</ref>. 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 [[irrigation]]s. 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<ref>{{Article|langue=en|auteur1=|prénom1=F. J.|nom1=Veihmeyer|prénom2=A. H.|nom2=Hendrickson|titre=The moisture equivalent as a measure of the field capacity of soils|périodique=Soil Science|volume=32|numéro=3|date=1931-09|issn=0038-075X|doi=10.1097/00010694-193109000-00003|lire en ligne=https://insights.ovid.com/crossref?an=00010694-193109000-00003|consulté le=2018-08-04|pages=181–194}}</ref>. 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<ref>{{Ouvrage|auteur1=Jean-Michel Gobat, Michel Aragno, Willy Matthey|titre=Le sol vivant|sous-titre=bases de pédologie, biologie des sols|éditeur=PPUR Presses polytechniques|année=2010|passage=62|isbn=}}.</ref>. La quantité d'eau théoriquement utilisable est la différence d'humidité entre le point de ressuyage et le point de flétrissement.

=== Selon la nature des pores ===
Les [[pédologue]]s distinguent la '''porosité biologique''' ou tubulaire (biopores générés par l'activité biologique<ref>Galeries des [[micro-organisme]]s telluriques, des racines et radicelles, ou des [[Animal fouisseur|animaux fouisseurs]], qui facilitent la circulation de l'eau et de l'air.</ref>), la '''porosité texturale''' (microporosité créée par l'assemblage des particules) et la '''porosité structurale''' (macroporosité entre les [[Agrégat#Pédologie|agrégats]], intégrant la porosité fissurale<ref>Réseau de [[Fente de dessiccation|fentes de retrait]] limitant les agrégats du sol.</ref>, biologique, voire d'origine culturale)<ref>{{Ouvrage|auteur1=Denis Baize|titre=Petit lexique de pédologie|éditeur=[[éditions Quæ]]|année=2016|passage=15|isbn=}}</ref>{{,}}<ref>{{Article|auteur=Pierre Stengel|titre=Utilisation de l'analyse des systèmes de porosité pour la caractérisation de l'état physique du sol in situ|périodique=Annales agronomiques|date=1979|volume=30|numéro=1|pages=27-51}}</ref>.

=== Porosité et exploitation de ressource souterraines ===
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 [[pétrolier]]s) ;
* ''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.

=== Les roches poreuses ===
Elles peuvent capter et stocker des fluides (gaz ou liquides). On les dit « [[Roche réservoir|roches réservoirs]] » . Le fluide stocké 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 ([[stockage souterrain|stockages souterrains]]).

=== Porosité et procédés chromatographiques ===
Les charbons actifs, les [[résines échangeuses d'ions]], les gels, sont utilisés en couche appelé lit (en physique : empilement) dans une colonne dans laquelle on fera passer le fluide à traiter<ref>{{Ouvrage|auteur1=Valérie Jeanne-Rose, Axelle Durimel, Nady Passé-Courtin et Sarra Gaspard|titre=Eaux industrielles contaminées. Chapitre VIII. Les charbons actifs pour le traitement des eaux usées|passage=p. 241-273|lieu=Besançon|éditeur=Presses universitaires de Franche-Comté|année=2017|pages totales=512|isbn=9782848677583|lire en ligne=https://books.openedition.org/pufc/11077?lang=fr|consulté le=27 novembr 2023}}</ref>. On définit la porosité intergranulaire ou porosité du lit comme le rapport du volume entre les grains au volume total du lit (sans tenir compte de la porosité des grains eux-mêmes), notée φ au début de cet article. Dans ce domaine, la porosité du lit est notée ε. Elle vaut environ 0,4 pour des lits peu tassés de grains de 1 mm . Pour des grains plus fins et des lits tassés, elle descend à 0,35-0,37 (chromatographie des protéines). Notons que, théoriquement, pour des grains sphériques de même diamètre, la porosité du lit ne dépend pas du diamètre de grain<ref name=":0" />. C'est la même pour un tas de pierre et un kg de farine. Elle atteint théoriquement 0,26 pour un [[empilement compact]] de type hexagonal.

== Modèles de porosité ==
=== Modèles statistiques ===
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.

=== Arrangements de sphères ===

=== Faisceau capillaire - Modèle de Purcell ===
Ce modèle permet de modéliser la porosité mais également la [[perméabilité (fluide)|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.

=== Modèle en réseau de Fatt (1956) ===

=== Modèle de Houpeurt et Ehrlich ===

== Mesure de la porosité ==
Pour mesurer la porosité, on peut déterminer trois paramètres :
* Vt, qui est le volume total de l'échantillon ;
* Vs, qui est le volume de l'échantillon sans sa porosité ;
* Vp, qui est le volume des pores.

=== Méthodes directes de mesures au laboratoire ===
On distingue :
* les mesures sur échantillons non-remaniés ;
* les mesures sur des échantillons remaniés.

==== Mesure de la porosité sur des échantillons non-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.

==== Mesure de la porosité sur des échantillons remaniés ====
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 [[Appareil de Dean Stark|extracteur de Dean-Stark]] ;
* une extraction par [[centrifugation]] ;
* une extraction par [[distillation sous vide]].

===== Mesure du volume total Vt =====
* Mensuration
* Mesure à l'aide d'une [[pompe volumétrique]]
* Mesure par [[poussée d'Archimède]]

===== Mesure de Vs =====
* Utilisation d'un [[pycnomètre]]
* Méthode d'immersion
* Utilisation d'une [[chambre de compression]]

===== Mesure de Vp à l'aide d'un porosimètre à mercure =====
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.
{{Loupe|Porosimètre à mercure}}

=== Détermination de la porosité in situ : [[diagraphie]]s ===
==== Diagraphie neutron ====
Une sonde envoie des [[neutron]]s 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.

==== Mesure de la résistivité du terrain ====
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.

== Notes et références ==
{{Références}}

== Voir aussi ==
{{autres projets| wikt=porosité}}

=== Articles connexes ===
{{Début de colonnes| taille=24}}
* [[Capillarité]]
* [[Fracturation hydraulique]]
* [[Loi de Darcy]]
* [[Masse volumique apparente]]
* [[Milieu poreux bi-structuré]]
* [[Perméabilité (fluide)|Perméabilité]]
* [[Surface spécifique]] 
* [[Teneur en eau (Milieux poreux)]]
* [[Empilement compact]] 
{{Fin de colonnes}}

=== Liens externes ===
* [http://hal.archives-ouvertes.fr/hal-00452876/fr/ Équilibre et transferts en milieux poreux. Livre sur HAL par Jean-François Daïan]

{{Palette Mots-clés relatifs aux sols}}
{{Portail|Géologie|matériaux}}

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[[Catégorie:Pédologie]]
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