Technical Report NTB 15-03

Le projet Colloid Formation and Migration (CFM, Formation et migration des colloïdes) se déroule dans le cadre de la phase d’activité VI au Laboratoire souterrain du Grimsel, au sein d’un programme de recherche consacré aux conditions spécifiques prévalant dans les dépôts en couches géologiques profondes. Les recherches effectuées dans le cadre du projet CFM concernent les aspects suivants: formation de colloïdes consécutive à l’érosion de la bentonite, zone d’échange entre l’eau interstitielle et les eaux souterraines, migration des colloïdes (filtration), et enfin transport des radionucléides par le biais des colloïdes.
 

Les expériences in situ du projet CFM se sont déroulées dans une zone de cisaillement de permé­abilité élevée, où ont déjà eu lieu plusieurs expériences de migration utilisant des traceurs afin d’étudier les colloïdes de la bentonite et le transport des colloïdes par le biais des radionucléides. Ces essais de traçage de colloïdes avaient été réalisés entre des forages en dipôles distants d’environ 2 m et avec des débits relativement élevés. Pour des espèces conservatives, on obtenait ainsi des temps de transports inférieurs à une heure. Les expériences in-situ du projet CFM visaient à étendre les essais à une durée allant de plusieurs semaines à plusieurs années et à étudier les processus de génération des colloïdes dans un environnement comparable à celui d’un dépôt profond, à savoir avec des débits et des gradients hydrauliques relativement faibles. Pour obtenir ce type de débit, il a été nécessaire de créer un voire plusieurs dipôles ayant à la fois un gradient hydraulique faible et des taux de récupération élevés. Ceci a été possible grâce à la mise en œuvre d’un système d’isolation de tunnel («tunnel packer system») d’un type nouveau. Le présent rapport a pour principal objectif de présenter ce système, de même que l’ensemble de l’instrumentation mise en place sur le site du projet CFM en préparation du Long-term In-situ Test (LIT, Essai in-situ à long terme). Il s’agissait également de décrire le démarrage de l’essai LIT en mai 2014.

Le développement, la mise en œuvre et l’optimisation du système d’isolation utilisé actuellement dans le cadre du projet CFM ont nécessité une dizaine d’années de travail. Le système comprend (1) des obturateurs de surface qui permettent de recueillir, contrôler et mesurer les principaux flux provenant des chenaux de la zone de cisaillement à l’interface avec le tunnel, (2) sur la paroi du tunnel, une couche de résine qui bloque les flux en provenance de la matrice rocheuse et des secteurs peu perméables de la zone de cisaillement, (3) un dispositif d’isolation d’une longueur de 5 m qui, d’une part, stabilise la couche de résine du point de vue mécanique et d’autre part isole la zone de cisaillement du tunnel et (4) une unité de contrôle qui permet à la fois de réguler le débit provenant des obturateurs de surface et d’enregistrer les propriétés physico-chimiques des eaux souterraines. En plus des neuf forages opérationnels à l’issue des précédents essais, cinq forages supplémentaires ont été réalisés pour les besoins du projet CFM. Chacun des forages a été équipé d’un système multi-obturateurs («multi-packer»).

Les installations pour la réalisation et la surveillance des expériences comprennent les éléments suivants : un système de contrôle pour les systèmes d’obturateurs avec mesure de la pression, un régula­teur de débit pour mesurer et contrôler les flux en provenance de la zone de cisaillement, un enregistreur de pression différentielle pour mesurer le gradient hydraulique avec la précision nécessaire, des capteurs hydrochimiques et des fluorimètres pour le suivi des essais de traçage, un dispositif automatique de prélèvement d’échantillons, un système d’acquisition de données, des capteurs pour enregistrer les conditions climatiques dans le tunnel, ainsi que des mesures de radio­protection. Les échantillons de radionucléides et de colloïdes sont prélevés à l’aide d’un collecteur de fraction dans l’atmosphère contrôlée d’une boîte à gants afin de réduire les pro­cessus d’oxydation au minimum.

La limitation des flux de la zone de cisaillement vers le tunnel a immédiatement entraîné une baisse significative du gradient hydraulique dans la zone de cisaillement. Un total de 27 essais de traçage a été réalisé dans le cadre du projet CFM sous des conditions aux limites hydrauliques contrôlées, entre autre pour pouvoir tester le système d’isolation du tunnel de manière répétée. Celui-ci s’est avéré un outil fiable et souple pour contrôler les gradients hydrauliques dans la zone de cisaillement. Depuis 2009, les conditions ont varié, allant d’une fermeture presque totale (débit de sortie de 3 ml/min) à l’ouverture complète des forages. Le système a fonctionné de manière satisfaisante et aucune fuite significative n’a été constatée, confirmant ainsi que le système était conforme aux exigences du LIT.

Pour l’essai LIT, une source composée d’anneaux préfabriqués en bentonite hautement compactée, marquée avec des radionucléides, des argiles synthétiques et des traceurs conser­va­tifs, a été fixée sur un système multi-obturateurs développé spécialement pour l’expérience, puis installée dans un intervalle de forage situé dans la zone de cisaillement, avec un champ d’écoulement contrôlé par un des obturateurs de surface. Les colloïdes de bentonite qui se forment à la suite du gonflement et de l’érosion des anneaux de bentonite marquée migrent ainsi dans la zone de cisaillement. Des échantillons prélevés dans trois forages de contrôle en champ proche permettent de suivre l’évolution de la composition chimique et de la teneur en colloïdes des eaux souterraines au voisinage immédiat de la source. Le débit extrait à l’obturateur de surface Pinkel est également mesuré.

A l’issue de l’essai LIT début 2018, de la résine sera injectée dans les trois forages de contrôle afin de stabiliser la source en bentonite et la zone de cisaillement. Il est prévu de procéder ensuite à un surcarottage de l’intervalle, de façon à récupérer la source et de la roche encaissante en vue d’une analyse ultérieure.