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Connaître la géologie de la roche-hôte

Détecter les failles par des méthodes géophysiques


Les formations géologiques présentent des hétérogénéités qui se manifestent notamment par des failles. Celles-ci pourraient éventuellement drainer préférentiellement les radionucléides depuis la couche d’argilite contenant les déchets radioactifs vers les formations calcaires aquifères supérieures ou inférieures. Même si les roches argileuses sont réputées peu propices aux phénomènes de fracturation, leur détection est indispensable.

Ni l’imagerie sismique [1], ni les forages n’ont actuellement montré l’existence de failles dans la zone d’implantation possible du stockage de déchets radioactifs envisagée par l’Andra, à Bure en Meuse/Haute-Marne. Néanmoins, les failles décrochantes (dont le mouvement est essentiellement horizontal, à faible décalage vertical) [2] sont difficiles à détecter par les méthodes géophysiques classiques. Il est donc nécessaire de connaître les limites des méthodes de reconnaissance utilisées pour pouvoir exclure ou non la présence de différents types de structures dans les formations géologiques investiguées, sachant que cette présence n’est pas totalement improbable dans ces terrains.

Les observations effectuées dans les galeries de la station expérimentale de Tournemire [3] ont mis en évidence des zones homogènes et des zones fracturées de différentes tailles, principalement de type décrochantes. Elles fournissent l’occasion d’évaluer la capacité et les limites des méthodes géophysiques pour la détection de ce type de discontinuités. Plusieurs méthodes sont testées : imagerie sismique 3D, tomographie sismique [4] et profils de résistivité électrique [5].


Détection des failles à partir de la surface

Dans le but d’évaluer les techniques d’imagerie sismique 3D utilisées par l’Andra sur le site de Bure, une campagne de sismique 3D haute résolution (5 x 5 mètres en surface) [6] a été réalisée en 2001 à partir de la surface du massif de Tournemire, à l’aplomb des failles décrochantes.

Après les phases de traitements classiques de la sismique 3D, complétées par des traitements spéciaux [7], cette méthode sophistiquée n’a permis de mettre en évidence que la faille principale nord-sud [8] (à 450 m de profondeur) dans les couches calcaires du Lias (couche inférieure à la roche argileuse) pour laquelle le décalage vertical est évalué à environ 25 mètres. Le dispositif n’a pas permis d’imager avec précision les calcaires du Dogger (couche supérieure), ni la couche argileuse (400-200 m de profondeur) où aucune des failles observées dans les galeries n’a pu être détectée. Cela confirme les limites de la méthode, même à haute résolution. Afin d’approfondir l’analyse des données existantes ainsi que d’acquérir de nouvelles données de sismique 2D et 3D, de nouvelles collaborations sont en cours. La tomographie sismique sera par ailleurs testée entre la surface et les ouvrages souterrains.

La détection par résistivité électrique (sur des profils électriques de 700 m à 2,5 km de longueur) a été appliquée à partir de la surface. Les résultats montrent une cartographie 2D de la résistivité en partie corrélée avec les zones de fracturation et d’écoulement (plus conductrices) dans les séries calcaires du Dogger. Ces investigations se poursuivent actuellement.


Détection des failles à partir des ouvrages souterrains

Dans les ouvrages souterrains (le tunnel principal centenaire et les six galeries), plusieurs dispositifs d’acquisition sismique (capteurs et sources) et plusieurs traitements et modèles ont été testés pour tenter de détecter les failles décrochantes à partir de ces ouvrages. Les investigations par sismique réflexion/migration [9] à partir d’une seule galerie n’ont pas donné de résultats probants. A l’inverse, la tomographie puis l’inversion [10] des formes d’ondes en transmission entre galeries permettent une détection partielle des zones de failles. Dans les faits, il s’avère que ces structures géologiques sont assez complexes à interpréter.

Des investigations par sismique réflexion d’une faille plus simple (faille secondaire, galerie Est-03-tunnel) sont programmées afin d’affiner encore la méthodologie mise en œuvre et d’apporter à l’IRSN les éléments nécessaires aux futures expertises, notamment pour évaluer les méthodes de reconnaissance à l’avancement dans le futur stockage.


Notes :

1- Imagerie utilisée dans le sous-sol, qui utilise l’écho d’ondes sonores réfléchies par les interfaces géologiques (différentes couches, failles).
2- Pour plus d’explication, consulter cette page : http://www.geologie.ens.fr/~vigny/failles-anime.html
3- Pour plus d'informations : Une station expérimentale à Tournemire.
4- Reconstruction spatiale de la structure géologique du sous-sol à partir d’images (en temps ou en profondeur) du sous-sol.
5- Mesure de la capacité du sous-sol à laisser passer un courant électrique, à partir d’électrodes disposées en surface. Ce paramètre renseigne notamment sur la présence d’eau, donc de failles.
6- Le dispositif d’acquisition comprenait 13 lignes est-ouest de récepteurs en surface (5568 capteurs), une ligne de 6 géophones en galerie, 20 lignes nord-sud de sources en surface (camion vibrateur) équidistantes de 50 mètres avec des points de vibrations tous les 10 mètres.
7- Par cube de cohérence, faciès sismiques, anisotropie azimutale.
8- Pour plus d'informations : Une station expérimentale à Tournemire - Failles et fractures.
9- La migration est l’opération de traitement permettant de passer d’une image en temps à une image en profondeur, permettant ainsi de positionner spatialement les différentes couches (réflecteurs).
10- L’inversion des formes d’ondes est une méthode de traitement basée sur la résolution d'un problème inverse appliqué au champ d'onde complet en domaine fréquentiel.

 

 Vidéo: les différentes méthodes géophysiques expérimentées par les chercheurs de l’IRSN

Collaborations scientifiques

IFSTTAR, Mines ParisTech, IPGS, UPPA, CGG, IFP, CEREGE

Publications scientifiques