​Acquise en 1992, la station expérimentale de Tournemire, dans laquelle l’IRSN mène des expérimentations depuis 1989, est utilisée à seules fins de recherche scientifique et technique. Il n’est en aucun cas destiné à accueillir un jour des déchets radioactifs. De plus, aucun composant radioactif n’y est introduit au titre des recherches.

La station expérimentale est située dans le bassin des Grands Causses, en bordure sud du Massif Central (au sud de l’Aveyron). Le tunnel centenaire traverse la formation argileuse jurassique¹ du Toarcien². La couche argileuse, composée d’argilites et de marnes, s’est déposée en domaine marin il y a environ 180 millions d’années. Située entre 200 et 250 mètres de profondeur, elle mesure 250 mètres d’épaisseur et est encadrée par des formations calcaires [contexte géologique] dans lesquelles circulent des aquifères. De par sa configuration géologique et la nature des roches, ce site expérimental présente de larges similitudes avec celui étudié par l’Andra en Meuse/Haute-Marne, mais la présence d’une faille régionale hydrauliquement active et de failles plus locales, constituent des conditions extrêmes (par comparaison avec le site de l’Andra où de telles discontinuités n’ont pas été identifiées) pour l’évaluation des propriétés de confinement d’un milieu argileux à l’échelle de millions d’années.

1- Le Jurassique est une période géologique qui s’étend d'environ -200 à -145 millions d'années.

2- Le Toarcien est, sur l’échelle des temps géologiques, dernier étage de l’époque du jurassique inférieur (ou Lias).

​Les études géologiques sont abordées dans le cadre de plusieurs programmes de recherche menés depuis 1990 au moyen de différentes techniques d’observations et d’analyse à partir de la surface, du tunnel, des six galeries excavées depuis 1996 et des nombreux forages (plus de 250) réalisés dans le tunnel et les galeries, selon différentes directions. La connaissance géologique du secteur constitue la base nécessaire pour le développement des différents programmes de recherche et pour le choix des zones d’expérimentations. Celle-ci apporte des informations nécessaires pour le test de méthodes d’investigation et la validation des modèles.
La station expérimentale de Tournemire est l’un des quatre laboratoires de recherche souterrains en milieu argileux en Europe, à côté des laboratoires de Mol (Belgique), du Mont-Terri (Suisse) et de Bure (Meuse/Haute-Marne, France). Elle a été intégrée, en 2007, au réseau des centres d’excellence de l’Agence internationale de l’énergie atomique (AIEA)1.

Note 1 : Ce réseau baptisé Underground Research Facilities (URF’s) réunit une dizaine de partenaires dans le monde.

​Un des intérêts de la station expérimentale de Tournemire pour mener les expertises de l’IRSN réside dans la présence d’un ancien tunnel : le tunnel ferroviaire de la Boutinenque (aussi appelé tunnel de Tournemire), qui permet d’accéder à l’argilite du Toarcien, une roche qui présente de nombreuses analogies avec la formation argileuse étudiée par l’Andra sur le site de Meuse/Haute-Marne. Avec plus de 125 ans d’âge, il permet d’évaluer, sur le long terme, la perturbation de la roche argileuse induite par un ancien ouvrage souterrain.
Ce tunnel, de pente ascendante du sud vers le nord (1,4 %), traverse en grande partie les argilites du Toarcien supérieur. Dans sa partie nord, il traverse la grande faille régionale du Cernon qui draine une partie des aquifères (supérieur et inférieur) de la région : cela explique la présence d’une source à son intersection avec le tunnel. Cette source est canalisée sous le radier le long de l’axe de l’ouvrage, avec une exhaure (sortie des eaux d’infiltration) côté sud du tunnel.

L’ouvrage original

Le tunnel fait partie d’un ensemble d’ouvrages d’art réalisés à la fin du 19e siècle dans le cadre du projet de voie ferroviaire qui devait relier Tournemire au village du Vigan. Cette voie n’a jamais été totalement achevée, mais elle a été utilisée jusqu’aux années 1950 par un train de marchandises reliant Tournemire au Plateau du Larzac.
Le tunnel a été creusé essentiellement à la main entre 1882 et 1888, sur une longueur de 1885 mètres (PM 0)¹. Du point de vue géométrique, il possède une section de type fer à cheval de 5,6 mètres de hauteur et 4,7 mètres de largeur à la base. Le revêtement est composé d’une maçonnerie à blocs de calcaire, jointoyés par un liant à base de chaux.

De l’armée au laboratoire souterrain

Dans les années 1970, l’armée de terre en fait l’acquisition afin de permettre l’extension d’un camp militaire sur le plateau du Larzac. A cette occasion, les rails de la voie ont été entièrement remplacés. Ce projet d'extension n’aboutira finalement pas, le projet étant stoppé au début des années 1980.
En 1989, l’IPSN (aujourd’hui IRSN) débute l’exploitation du tunnel, avec l’autorisation de l’armée, dans le cadre de ses premiers programmes de recherche. En 1992, l’IPSN devient officiellement propriétaire du tunnel afin de faciliter ses recherches en soutien à l’expertise. A cette occasion, le radier du tunnel sera bétonné dans sa totalité en 2003 pour faciliter l’accès à la station expérimentale.
L’existence du tunnel facilite grandement la réalisation des galeries et des forages selon différentes directions, l’amenée des matériels, et contribue ainsi à la mise en œuvre des programmes de recherche de l’IRSN dans des conditions aisées.

Un développement en plusieurs étapes

La station expérimentale s'est constuite au fil des années, avec trois étapes principales :

Note 1 :  Point métrique, distance exprimée en mètres par rapport à un point d’origine, ici l’entrée Sud du Tunnel.

​​La station expérimentale de Tournemire (Aveyron) est localisée dans la partie occidentale du plateau du Causse du Larzac, un secteur caractérisé par des séries calcaires et argileuses, quasi-horizontales, de l’époque jurassique (voir coupe géologique). La zone est affectée par la grande faille régionale du Cernon vers le nord et la faille locale du Cirque de Tournemire vers le sud-est (voir carte géographique).
Le tunnel est localisé en grande partie dans la formation argileuse du Toarcien sous une couverture de 200 à 250 mètres d’épaisseur de roches calcaires. Vers le nord, le tunnel traverse la faille du Cernon et les séries calcaires du Lias.

 Coupe géologique au droit de la station expérimentale de Tournemire (c) IRSN

​Carte géologique simplifiée du secteur de Tournemire (c) IRSN 

​De l’ère primaire à nos jours

Depuis l’ère primaire, l’histoire géologique du secteur de Tournemire a vu se succéder une sédimentation principalement continentale et lagunaire au Permien (286-248 Ma), une période d’érosion à la fin du Permien, puis une importante phase de sédimentation marine à l’ère secondaire. Celle-ci débute au Trias¹ et se poursuit au Jurassique inférieur d’abord en domaine marin avec le dépôt de séries calcaires-dolomitiques (séries de l’Hettangien, du Sinémurien et du Carixien), puis par une sédimentation marneuse et argilo-marneuse avec le dépôt des formations du Domérien et du Toarcien (sujet d’étude dans la zone d’investigation de la station expérimentale de Tournemire).
Ces formations argileuses du Jurassique inférieur sont suivies par le dépôt d’épaisses séries calcaires au Jurassique moyen (Aalénien, Bajocien et Bathonien). Au Jurassique supérieur, les faciès sont régressifs et moins bien développés que les faciès du Lias. On distingue des marnes et calcaires de l’Oxfordien, des carbonates du Kimméridgien et des récifs du Portlandien. A la fin du Jurassique, la mer se retire de la région des Grands Causses qui évolue alors en domaine continental. L’absence des dépôts du Crétacé ne permet pas d’établir clairement l’évolution pendant cette période.

Note 1 : A cette époque du Trias, dépôts fluviatiles, faciès lacustres, évaporites et séries marines épicontinentales (début de la transgression marine).

​Au cours de la sédimentation marine jurassique, une tectonique en extension est responsable de l’épaississement des séries vers le centre du Bassin des Grands Causses et de la différentiation du seuil cévenol. Lors de l’ère tertiaire, la région évolue en domaine continental. Une phase tectonique majeure, la compression pyrénéenne, il y a 40-50 millions d’années (Eocène), va structurer fortement le bassin des Grands Causses et va s’étendre à l’échelle de la plaque européenne. Les failles normales jurassiques sont réactivées avec des mouvements inverses ou décrochants, de nouvelles failles étant également créées. Après cet épisode tectonique, une phase d’érosion généralisée va se produire dans la région (période Oligocène-Miocène). A partir du Miocène, le réseau hydrographique commence à se développer pour s’accentuer au Plio-Quaternaire avec le creusement des vallées, le développement des réseaux karstiques et le fonctionnement des aquifères.

Faille décrochante

​Nature des roches

Dans le secteur de Tournemire, les séries allant du Trias (vers St-Affrique) au Jurassique supérieur affleurent. Le Lias calcaire et dolomitique (Hettangien-Sinémurien-Carixien) présente une épaisseur de plus de 300 mètres. Les formations argileuses du Jurassique inférieur sont composées d’argilites et de marnes bien compactées, avec plus de 250 mètres d’épaisseur (Domérien : 50-58 mètres ; Toarcien : plus de 200 mètres). Le Toarcien supérieur représente la série la plus épaisse (150 mètres) et il est composé en grande partie d’argilites bien litées, caractéristiques des séries argileuses. C’est dans cette unité qui se situe la plupart des ouvrages de la station expérimentale de Tournemire (tunnel, galeries et forages). Le Toarcien inférieur (20 mètres d’épaisseur) se distingue des autres unités argileuses par sa lithologie plus calcaire et marno-bitumineuse (lithologie riche en kérogène : 10-15% de matière organique).

​Le Jurassique moyen, principalement carbonaté, forme en grande partie les falaises et l’ossature morpho-structurale du plateau du Larzac. Il est composé par les séries calcaires et marneuses de l’Aalénien (25 mètres), les calcaires massifs du Bajocien (85 mètres) et, les calcaires et dolomies du Bathonien (plus de 170 mètres). Dans le secteur de Tournemire, le volcanisme basaltique Plio-Quaternaire, observé au niveau régional sur un axe N-S, est présent le long de failles à plusieurs endroits sous la forme de dykes¹ et d’appareils volcaniques.

Note 1 : Un dyke ou dike est un filon de roche magmatique infiltré dans une fissure.