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Evaluer les transferts de radionucléides dans la roche

En présence de fractures naturelles


Les roches argileuses sont de manière générale moins propices aux phénomènes de fracturation que d’autres types de roches (calcaire, granites…). Les fractures naturelles sont néanmoins des chemins hydrauliques préférentiels, que les polluants radioactifs dissous (solutés) sont susceptibles d’emprunter pour rejoindre les aquifères qui encadrent la couche argileuse.

Les observations effectuées à la station expérimentale de Tournemire ont mis en évidence des zones fracturées de différentes tailles [1]. La caractérisation de ces fractures naturelles permet d’évaluer les propriétés de confinement de la roche en mesurant les vitesses d’écoulement de l’eau, son temps de résidence et en évaluant le temps nécessaire pour atteindre l’aquifère.

Figure 4 

 Figure 1: Localisation des ouvrages ayant rencontrés des fractures naturelles.


Quelles vitesses d’écoulements ?

Un premier volet concerne l’étude des propriétés hydrauliques des fractures dites transmissives, dans lesquelles un écoulement est possible, et les caractéristiques géochimiques des fluides qui y circulent. Plusieurs forages, réalisés dans la couche argileuse et équipés de dispositifs (multi-obturateurs) ont effectivement permis de détecter la présence d’eau, en particulier dans les cavités géodiques (cf. figure 2).

Figure 5 

Figure 2: Schéma de principe d’une cavité géodique avec eau.

La datation de cette eau au carbone 14 indique qu’elle est en contact avec la roche depuis environ 15 000 ans [2]. Le transport par diffusion serait quant à lui mis en œuvre depuis plusieurs dizaines de millions d’années [3], selon des mesures de teneur en chlore dissous (traceur naturel de l’eau marine [4]) et par modélisation.

Les essais hydrauliques effectués sur ces fractures ont permis d’estimer des conductivités hydrauliques [5] équivalentes de l’ordre de 10-10 m/s, soit des vitesses d’écoulement de l’ordre du kilomètre par millier d’années, 10 000 à 100 000 fois plus rapides que dans la roche saine. Des données qu’il est utile de connaître afin de prendre les dispositions de conception adaptées pour le stockage (telles que par exemple l’éloignement des ouvrages de stockage) dans le cas où ce type de fractures naturelles serait rencontré.


Quels phénomènes de transfert ?

Un second volet, baptisé Fractex [6] (Fracture experiment), a débuté en 2013. Il vise à caractériser les propriétés de transport des radionucléides (par convection [7] et diffusion [8]) dans des fractures naturelles peu ou pas perméables [9] (les données manquent encore sur cette question) comme on pourrait éventuellement en rencontrer dans un stockage de déchets radioactifs en couche argileuse profonde.

Dans la pratique, un forage horizontal de 50 mètres qui recoupe perpendiculairement une faille décrochante [10] présentant une zone déformée de près de 3 mètres d’épaisseur a été réalisé début 2013 à partir du tunnel de la station expérimentale de Tournemire. Cette zone sera caractérisée d’ici début 2014 par diagraphies [11], carottages et mesures pétrophysiques [12] et minéralogiques [13] sur échantillons. L’ensemble des paramètres de transport diffusif et convectif devrait être acquis pour fin 2015 et synthétisé au travers d’une modélisation globale du transfert des fluides et solutés.

 

Légende : Réalisation du forage Fractex FR1

 

Notes :

1- Plus d'informations : Programmes de recherche - Connaitre la géologie de la roche-hôte.
2- Savoye et al., 2003.
3- Matray and Dauzères, 2013.
4- Plus d'informations : Programmes de recherche - Evaluer les transferts de radionucléides dans la roche : Dans un sous-sol sans perturbation.
5- La conductivité hydraulique traduit l’aptitude d’un milieu poreux, ici la roche, à laisser circuler un fluide. Elle se mesure en m.s-1 mais n’est pas directement comparable à une vitesse.
6- Wittebroodt et al., 2012.
7- Espèces chimiques entrainés dans les fluides. On parle aussi parfois d’advection.
8- Homogénéisation des concentrations.
9- La fracture naturelle étudiée n’a pas produit d’eau lors du creusement de la galerie en 2003.
10- Faille dont le mouvement est essentiellement horizontal, à faible décalage vertical.
11- Méthode de caractérisation géophysique de la roche (résistivité électrique, sismique, imagerie).
12- Propriétés physiques de la roche telles que densité, porosité, teneur en eau...
13- Proportion des différentes phases minérales présentes dans la roche.

Collaborations scientifiques

CNRS/Université d’Orsay (IDES) ; CNRS/UPMC (SYSIPHE) ; CNRS/Université de Bordeaux (CENBG)

Publications scientifiques