Technischer Bericht NTB 14-02/II

Dossier II: Conditions sédimentologiques et tectoniques

Le dossier II est consacré aux conditions sédimentologiques et tectoniques dans les domaines d'implantation géologiques (ci-dessous désignés par la forme abrégée «domaines» ou «domaines d'implantation») et les régions avoisinnantes. Il décrit et illustre les caractéristiques stratigraphiques et sédimentologiques des roches d'accueil et des roches encaissantes ainsi que la situation du point de vue de la géologie structurale et de la tectonique dans les domaines proposés. En outre, on y trouve des cartes relatives à la profondeur et à l'épaisseur des roches d'accueil dans les domaines d'implantation géologiques.

Les informations relatives aux conditions sédimentologiques et tectoniques qui règnent dans les domaines d'implantation géologiques sont prises en compte de différentes manières dans la comparaison des domaines du point de vue de la sûreté. Les caractéristiques stratigraphiques et sédimentologiques des roches d'accueil et des roches encaissantes sont en effet déterminantes pour évaluer leur épaisseur et leur capacité de confinement, ainsi que les possibilités de caractérisation et, en partie, d'exploration. Ces dernières propriétés sont traitées respectivement dans les dossiers VI et VIII, sur la base des données présentées dans le dossier II. En partant des conditions relatives à la géologie structurale et à la tectonique dans les régions concernées par les domaines d'implantation, on a défini des éléments tectoniques régionaux; ceux-ci jouent à leur tour un rôle décisif dans la définition des domaines et des périmètres de dépôt et ont des répercussions sur l'espace disponible pour aménager le dépôt souterrain. Par ailleurs, les données sur la géologie structurale et la tectonique, en particulier sur le régime tectonique dans les domaines d'implantation, sont utilisés pour évaluer différents aspects relatifs à l'évolution à long terme et au comportement mécanique des roches, des thèmes qui font respectivement l'objet des dossiers III et IV. La profondeur des roches d'accueil est un facteur essentiel pour délimiter le périmètre du dépôt dans le cadre de la comparaison des domaines d'implantation du point de vue de la sûreté. Pour déterminer la profondeur optimale, on considère l'évolution à long terme, la géomécanique et les techniques de construction. Tous ces aspects sont étudiés plus en détail dans les dossiers III et IV (et les rapports cités dans ces documents).

Les données relatives à la caractérisation sédimentologique et tectonique des domaines d'implantation géologiques ont été considérablement améliorées au cours de l'étape 2 du plan sectoriel «Dépôts en couches géologiques profondes». D'une part, on dispose aujourd'hui de plus de données issues de forages; il convient de mentionner en particulier le grand nombre de nouveaux forages de tiers, généralement peu profonds, mais bien documentés sur le plan géophysique, qui fournissent de précieuses informations pour améliorer la caractérisation stratigraphique et sédimentologique des roches d'accueil et des roches encaissantes. Les données issues de la nouvelle campagne de sismique 2D dans le nord de la Suisse fournissent également des informations essentielles sur le plan régional. Les données déjà à disposition pour l'étape 1 du plan sectoriel ont été entièrement retraitées au cours de l'étape 2, améliorant ainsi les possibilités d'interprétation. La campagne de sismique 2D 2011/12 a permis de densifier les données disponibles, avec l'ajout de 20 profils sismiques supplémentaires de grande qualité. Cette campagne sismique a permis d'atteindre une densité de données comparable pour tous les domaines d'implantation du nord de la Suisse et par conséquent de vérifier et de préciser les éléments tectoniques régionaux. Sur cette base, il a été également possible de réviser localement les modèles géologiques établis pour les domaines d'implantation.

Les roches d'accueil dans le nord de la Suisse sont l'Argile à Opalinus, la série de roches argileuses «Dogger brun» («Brauner Dogger») et les couches d'Effingen. Elles constituent, avec les roches encaissantes inférieures et supérieures, la zone de confinement géologique potentielle. Elles sont brièvement caractérisées ci-après, en partant des strates inférieures et en procédant vers le haut.

Les formations situées au-dessous de l'Argile à Opalinus sont constituées essentiellement de sédiments argilo-marneux et riches en sulfates datant du Keuper et du Lias (formation de la Staffelegg). Dans ces sédiments, on trouve des unités calcaires, dolomitiques et sableuses de plusieurs mètres d'épaisseur qui, au niveau d'affleurements, peuvent former des «bancs durs» résistants aux intempéries (Calcaires à Arietites, Dolomie de Gansingen, formations du Stubensandstein et du Schilfsandstein). Dans le domaine d'implantation Jura-Südfuss en outre, une série de roches calcaires sableuses et de grès calcaires, atteignant jusqu'à plus de 10 m d'épaisseur, est présente juste en dessous de l'Argile à Opalinus.

L'Argile à Opalinus est constituée essentiellement de roches argileuses, comportant parfois une part importante de sable. Par comparaison aux autres formations mésozoïques du nord de la Suisse, elle forme un ensemble de couches homogène et de grande épaisseur. Des indices concrets suggèrent que l'Argile à Opalinus est un peu moins épaisse dans le domaine d'implantation Jura-Südfuss que dans les autres domaines proposés.

Dans les domaines Südranden, Zürich Nordost et Nördlich Lägern, l'Argile à Opalinus est recouverte par la série de roches argileuses «Dogger brun». Cette formation constitue elle-même une roche d'accueil potentielle dans les domaines Zürich Nordost et Nördlich Lägern. Elle est principalement argileuse, mais comprend aussi des «bancs durs» isolés ou en série, qui peuvent être constitués de roches calcaires micritiques, sableuses ou biodétritiques et d'oolithes ferrugineuses, regroupées ici sous le terme «Séries sablo-calcaires». Certaines de ces séries pauvres en argile ne peuvent pas être corrélées latéralement de manière satisfaisante. L'ensemble le plus riche en argile et le plus homogène du «Dogger brun» se situe dans la partie supérieure de la série; il est constitué des couches Parkinsoni-Württembergica et de la formation marneuse dite «Varians». Certaines données indiquent que, à côté des séries de roches argileuses traversées par le forage à Weiach, il pourrait se trouver des séquences plus épaisses et plus pauvres en argile dans les zones occidentales et orientales du domaine d'implantation Nördlich Lägern. Dans les domaines Jura Ost et Jura-Südfuss, les séries argileuses du «Dogger brun» sont absentes; l'Argile à Opalinus y est recouverte par la formation du Passwang et les couches de marnes à Ostrea acuminata (inférieures). La formation du Passwang est composée de plusieurs séries de roches argileuses, sableuses et/ou de marnes, calcaires et oolithes ferrugineuses bioclastiques. Elle présente des variations de faciès verticales et latérales marquées. Elle est d'une manière générale moins riche en argile que le «Dogger brun».

Les couches d'Effingen recouvrent le «Dogger brun» dans les domaines d'implantation Südranden, Zürich Nordost et Nördlich Lägern et sont considérées dans ces domaines comme «roches encaissantes». Dans le domaine Jura-Südfuss, elles constituent une roche d'accueil potentielle. Elles comprennent des marnes calcaires et des séries de bancs calcaires d'une épaisseur qui peut atteindre plus de 10 m. La corrélation de ces séries entre les forages est en partie possible.

La roche d'accueil dans le domaine d'implantation du Wellenberg (formation de Palfris, marnes de Vitznau et formations marneuses tertiaires) est constituée en grande partie de marnes qui, par le fait d'une constellation tectonique particulière, forment une couche épaisse verticale due à une d'écailles et de plis de dimensions exceptionnelles. Les intercalations de séries calcaires y sont difficilement corrélables et on pourrait y rencontrer des écailles calcaires de dimensions considérables.

Les considérations sur la géologique structurale et la tectonique spécifique aux domaines d'implantation se concentrent, dans le dossier II, sur les aspects qui revêtent une importance particulière pour la comparaison entre les domaines du point de vue de la sûreté prévue à l'étape 2 du plan sectoriel. Il s'agit plus précisément de caractériser le régime tectonique des domaines concernés, de détecter et de délimiter les éléments tectoniques régionaux et de déterminer les conditions structurales et tectoniques locales.

Le terme «régime tectonique» se réfère, au sens de l'étape 1 du plan sectoriel, à une zone présentant une situation structurale et une genèse caractéristiques. Dans les zones situées à l'intérieur d'un même régime tectonique, on s'attend à rencontrer des caractéristiques structurales et des déformations polyphasées analogues. La différenciation des régimes tectoniques effectuée pour les cinq domaines d'implantation du nord de la Suisse au cours de l'étape 1 du plan sectoriel a été confirmée par les examens approfondis de l'étape 2. Le domaine Südranden et les parties centrale et septentrionale du domaine Zürich Nordost se situent dans le Jura tabulaire oriental et la partie nord-est du bassin molassique suisse, et par conséquent au nord de la zone d'influence de la tectonique de compression associée à l'orogenèse alpine, zone qui a pu être cartographiée à l'aide de la sismique. Cette région a été relativement peu affectée sur le plan tectonique. Le secteur méridional du domaine Zürich Nordost ainsi que les domaines Nördlich Lägern et Jura Ost se situent dans la zone d'avant-pays, tandis que le domaine Jura-Südfuss fait déjà partie de la zone sub-jurassienne. Si la première zone ne présente qu'une légère superposition induite par la tectonique liée à l'orogenèse alpine, la seconde apparaît nettement plus affectée. Le domaine du Wellenberg qui, au contraire des autres domaines d'implantation, est situé au cœur des Alpes centrales entre les nappes du Drusberg et de l'Axen, a été par comparaison beaucoup plus affecté par la tectonique alpine que les domaines d'implantation proposés dans le nord de la Suisse.

Les éléments tectoniques régionaux n'ont servi à délimiter concrètement les périmètres de dépôt que dans les domaines d'implantation du nord de la Suisse. Le tracé des zones de failles, déjà déterminé en grande partie durant l'étape 1 du plan sectoriel, a pu être vérifié et précisé par le biais des données de sismique 2D, qui ont été densifiées et dont l'interprétation a été améliorée. En outre, des «zones tectoniques à éviter» ont été délimitées dans le cadre de l'étape 2 du plan sectoriel. Elles prennent en compte les failles post-paléozoïques du socle et les anticlinaux dans la couverture sédimentaire du socle cristallin.

Les conditions structurales et tectoniques locales varient nettement dans leurs détails d'un domaine d'implantation géologique à l'autre. Dans le domaine Südranden, les examens effectués dans le cadre de l'étape 2 du plan sectoriel ont confirmé que les sédiments de la couverture étaient relativement peu perturbés. Cette affirmation vaut également pour le domaine Zürich Nordost. Dans le cadre de l'optimisation du périmètre de dépôt, effectuée pour la comparaison des domaines du point de vue de la sûreté, la partie méridionale de ce dernier domaine a été déclarée «zone tectonique à éviter». Il est ressorti de l'évaluation des données de la campagne sismique 3D que les propriétés structurales de cette zone, située au-dessus de la marge septentrionale du fossé permo-carbonifère du nord de la Suisse, réactivée après le Paléozoïque, étaient défavorables. Des campagnes de terrain réalisées durant l'étape 2 pour le domaine Nördlich Lägern ont révélé que sa partie occidentale, en particulier, était affectée par la zone de failles régionales. Le secteur septentrional de ce domaine se situe également au-dessus de la bordure du fossé permo-carbonifère; il a par conséquent été désigné comme zone tectonique à éviter, comme dans le cas du domaine Zürich Nordost. Seules les limites extérieures du domaine d'implantation Jura Ost sont concernées par des éléments tectoniques régionaux; d'après les évaluations actuelles des profils sismiques, ce domaine apparaît peu perturbé. Au contraire, dans le domaine d'implantation Jura-Südfuss, les zones de failles régionales sont nettement plus prononcées. De plus, on décèle ici une déformation tectonique à petite échelle des empilements de couches, qui est par comparaison plus marquée que dans les autres domaines. Dans le domaine du Wellenberg, les données issues de forages montrent qu'il s'y trouve une plus forte densité de petites failles que dans les domaines du nord de la Suisse. Cette région étant difficile à explorer, il n'est pas possible d'effectuer un levé systématique de ces failles à l'aide de la sismique réflexion.

Dans le but de caractériser les conditions géologiques, on a complété les modèles géologiques des domaines d'implantation proposés dans le nord de la Suisse par rapport à l'état de l'étape 1 du plan sectoriel, en y intégrant toutes les données à disposition. Pour le Wellenberg, un modèle géologique 3D mis à jour a été établi. Pour les domaines du nord de la Suisse, on observe par endroits, par rapport aux résultats obtenus à l'étape 1 du plan sectoriel, des modifications significatives de la profondeur des horizons géologiques pertinents, ceci même en tenant compte des incertitudes méthodologiques. La base de l'Argile à Opalinus, que l'on considère comme horizon de référence régional, est située, dans le domaine d'implantation Südranden, à une profondeur moindre, alors que dans le domaine d'implantation Nördlich Lägern, notamment dans sa partie occidentale, elle est localisée à une plus grande profondeur qu'on ne l'avait présumé jusque-là. Par ailleurs, en utilisant les cartes indiquant la profondeur des formations, des cartes d'isopaques (cartes d'épaisseur) ont été réalisées. Reposant essentiellement sur des données sismiques, ces dernières contiennent de plus grandes incertitudes que les informations compilées lors des forages. En tenant compte de ces incertitudes, les cartes d'isopaques confirment les informations obtenues lors de ces forages en ce qui concerne le spectre des valeurs relatives à l'épaisseur stratigraphique des roches d'accueil potentielles.