Technischer Bericht NTB 14-02/VI

Dossier VI: Propriétés de confinement des roches d'accueil et des roches encaissantes

Le dossier VI «Propriétés de confinement des roches d'accueil et des roches encaissantes» présente les paramètres et les concepts qui ont été utilisés dans le cadre des calculs de doses et de la comparaison des domaines du point de vue de la sûreté, qui font l'objet de l'étape 2 du plan sectoriel. Ces données constituent la base géoscientifique des évaluations qualitatives et quantitatives de nombreux critères du plan sectoriel et des indicateurs correspondants et servent à identifier d'éventuels facteurs montrant qu'un domaine présente de nets désavantages par rapport aux autres.

Le chapitre «Propriétés de confinement des roches d'accueil» décrit les caractéristiques qui sont déterminantes pour le transfert des radionucléides au travers de ces roches. La définition des unités lithologiques se fonde sur les données présentées dans le dossier II. En se basant sur le lien avéré entre la teneur en minéraux argileux et les caractéristiques hydrauliques, on a réparti ces unités en trois catégories (teneur en minéraux argileux de respectivement < 20 %, 20 – 40 % et > 40 % du poids)

• L'Argile à Opalinus a une composition minéralogique correspondant à celle des roches argileuses et argilo-sableuses. Pour les analyses et les évaluations relatives à la sûreté, l'ensemble de l'Argile à Opalinus peut être considéré comme une seule unité lithologique ayant une teneur en argile > 40 %.

• Les résultats des analyses effectuées sur «Dogger brun», reportés dans le triangle de Füchtbauer, révèlent une composition minéralogique d'une grande variété. En vue des analyses et des évaluations du point de vue de la sûreté, on distingue ainsi trois unités lithologiques: en premier lieu, les Séries argileuses, dont la teneur en minéraux argileux est en règle générale > 40 %; elles comprennent la roche d'accueil stricto sensu, qui est composée de roches argileuses et de marnes argileuses des couches Parkinsoni-Wurthembergica et de la formation marneuse dite «Varians». Deuxièmement, les Séries sablo-argileuses, qui incluent des roches argileuses et des marnes fortement sableuses des formations Murchisonae-Oolith, Wedelsandstein et Humphriesioolith. Leur teneur moyenne en minéraux argileux est de 20 à 40 %. Enfin, sous le terme de Séries sablo-calcaires, on regroupe les «bancs durs» composés essentiellement de calcaires en partie sableux et d'oolithes ferrugineuses; leur teneur en minéraux argileux caractéristique est < 20 % du poids.

• Les analyses minéralogiques effectuées sur les couches d'Effingen révèlent, dans le triangle de Füchtbauer, une répartition entre les marnes calcaires (en partie sableuses), les calcaires argileux et les calcaires. Pour les analyses et les évaluations du point de vue de la sûreté, les unités lithologiques sont divisées en Séries calco-marneuses (teneur en minéraux argileux de la catégorie 20 à 40 %) et Séries de bancs calcaires (teneur en minéraux argileux de la catégorie < 20 %).

• Les résultats des analyses minéralogiques des formations marneuses de l'Helvétique (Marnes Helvétiques) présentent, dans le triangle de Füchtbauer, une composition caractéristique située dans le secteur des roches argileuses calco-sableuses, des marnes argileuses et calco-sableuses, des calcaires argileux, jusqu'à des calcaires presque purs. Du point de vue minéralogique, elles sont donc similaires aux couches d'Effingen, mais leur composition est plus variée. Les Marnes Helvétiques étant intimement imbriquées et plissées, seules deux unités lithologiques peuvent être distinguées en vue des analyses et des évaluations du point de vue de la sûreté. Les marnes, qui constituent la masse principale de la roche d'accueil, ont une teneur en minéraux argileux de 20 à 40 %. Les séries de bancs calcaires, souvent boudinés et cisaillés, sont à classer dans la catégorie < 20 % de minéraux argileux.

Les examens de carottes provenant des nombreux forages effectués dans le nord de la Suisse et au Wellenberg ont permis d'analyser de multiples paramètres. Les résultats émanant de différentes méthodes d'analyse sont présentés et discutés dans le dossier VI, en mettant particulièrement l'accent sur les données concernant la porosité.

La caractérisation des eaux interstitielles s'appuie en particulier sur des examens de carottes provenant des domaines d'implantation proposés. Ces informations sont complétées par des analyses des eaux souterraines, là où elles existent, et, dans le cas de l'Argile à Opalinus, les résultats obtenus au laboratoire souterrain du Mont-Terri. Pour tenir compte d'éventuelles incertitudes ou différences entre les régions, on a utilisé des variantes de l'eau interstitielle de référence.

La caractérisation des propriétés hydrauliques se fonde sur des tests in situ dans des forages, des expériences sur des carottes et des observations faites dans des ouvrages souterrains. En outre, on a procédé à une comparaison systématique entre l'inventaire des structures des carottes et les résultats des tests in situ. Les données obtenues reflètent les propriétés des roches à des échelles différentes. Les tests en laboratoire sur les carottes indiquent, d'une manière générale, des conductivités hydrauliques très faibles pour la matrice rocheuse. Ceci montre que les perméabilités plus élevées observées pour certaines roches d'accueil doivent être le fait d'éléments tectoniques structurels discrets.

• Concernant l'Argile à Opalinus, qui est relativement homogène sur le plan lithologique, les expériences en laboratoire et les tests in situ sur les forages concordent (en tenant compte de petites failles et de différences dans les sous-unités lithologiques). Ces résultats suggèrent qu'il est possible de la modéliser comme un milieu à porosité homogène, où le transfert des radionucléides est dominé par la diffusion.

• Dans le cas du «Dogger brun», les tests in situ et les examens des carottes concordent et indiquent une très faible conductivité hydraulique dans la roche d'accueil non perturbée. Une conductivité accrue n'a été rencontrée que dans un seul cas, à savoir dans le forage Schlattingen-1, près du fossé Hegau-lac de Constance, dans un intervalle présentant deux structures ouvertes potentielles dans les formations Wedelsandstein et Humphriesioolith. Dans les Séries argileuses, on s'attend à de bonnes propriétés d'auto-cicatrisation, comme dans l'Argile à Opalinus.

• Dans les couches d'Effingen, les tests in situ dans la roche d'accueil non perturbée et les tests hydrauliques sur les carottes de forage montrent également une très faible conductivité hydraulique. Les coefficients K de perméabilité sont plus élevés dans les zones de failles, par exemple dans les couches Gerstenhübel du forage d'Oftringen. Les calcaires de cette unité sont très pauvres en minéraux argileux et on ne peut dès lors pas s'attendre à une bonne capacité d'auto-cicatrisation.

• Les Marnes Helvétiques sont un ensemble fissuré dont la matrice est très peu perméable. La circulation d'eau est liée exclusivement à des structures de déformation cassantes et de structures ductiles cassantes de recouvrement (réactivées). En dessous d'une zone à plus forte conductivité, épaisse de 500 à 600 m, les valeurs se situent entre 10-13 et 10-10 m/s.

Pour toutes les roches d'accueil où, dans au moins l'une des unités lithologiques, des failles ou des fractures pourraient avoir un impact sur la conductivité hydraulique, il faut se demander dans quelle mesure des forages isolés sont susceptibles de refléter l'ensemble des situations auxquelles on peut s'attendre. Pour cerner efficacement les phénomènes de transfert de fluides dans les zones comprenant des éléments tectoniques et structurels, on s'est donc appuyé sur des expériences concernant des roches similaires sur le plan lithologique et sur des réflexions conceptuelles concernant l'auto-cicatrisation des failles.

Les propriétés en matière de diffusion reposent sur des mesures effectuées en laboratoire et sur des données issues d'expériences menées sur le terrain au laboratoire souterrain du Mont-Terri. En outre, il existe un lien empirique entre la porosité et le coefficient de diffusion (extended Archies law); cette approche s'appuie sur une vaste base de données internationale et permet de faire une estimation fiable des propriétés de diffusion sur la seule base de la porosité. A l'aide des profils de traceurs dans les eaux interstitielles, il est possible de procéder à une validation de ces données à l'échelle de la formation et sur de longues périodes.

Des preuves indépendantes telles que des profils de traceurs ou des potentiels hydrauliques anormaux dans les roches d'accueil attestent la capacité de confinement des roches sur de longues périodes; ils étayent aussi, par exemple dans le cas de l'Argile à Opalinus, la prépondérance du transfert des radionucléides par diffusion plutôt que par advection, tout comme l'efficacité de la roche en tant que barrière de confinement, la séparation hydraulique se traduisant par des compositions chimiques caractéristiques des eaux souterraines dans des aquifères adjacents.

Le chapitre «Capacité de confinement des roches encaissantes» traite des unités lithologiques, des paramètres des roches et des paramètres du transfert des fluides. Il s'agit ici des roches situées au-dessus de l'Argile à Opalinus dans les domaines d'implantation Jura-Südfuss et Jura Ost (formation du Passwang, couches de marnes à Ostrea acuminata (inférieures)) et des roches situées en dessous de l'Argile à Opalinus dans tous les domaines d'implantation du nord de la Suisse. Les unités lithologiques des autres roches désignées comme encaissantes dans les domaines Südranden, Zürich Nordost et Nördlich Lägern (Argile à Opalinus, «Dogger brun», couches d'Effingen) ont déjà été caractérisées à titre de roches d'accueil. Dans le cas des couches d'Effingen dans le domaine Jura-Südfuss et des Marnes Helvétiques au Wellenberg, il n'y a pas de roches encaissantes.

Sous l'Argile à Opalinus se situe l'unité lithologique du Lias argileux, avec des teneurs caractéristiques en minéraux argileux de 40 % et une très faible conductivité hydraulique de ≤ 10-13 m/s. Ce n'est que dans le cas du domaine d'implantation Jura-Südfuss que le Lias situé en dessous de l'Argile à Opalinus est davantage calco-sableux; on le désigne d'ailleurs par le terme de Lias calcaire. Des observations faites sur les écoulements d'eau et de gaz, en particulier au forage SB4 de Gösgen, semblent indiquer que cette unité présente une conductivité supérieure au Lias argileux.

L'unité lithologique des «Calcaires à Arietites» se compose en partie de calcaires argileux et sableux; la conductivité hydraulique mesurée dans les forages profonds de Benken, Weiach, Riniken et Schafisheim était faible. Toutefois, l'observation de zones proches de la surface ou de tunnels indique que les «Calcaires à Arietites» peuvent avoir caractère d'aquifère lorsqu'ils sont affectés par d'importantes déformations (failles, fractures).

Entre les «Calcaires à Arietites» et l'aquifère du Keuper, on trouve, au sein de l'unité lithologique du «Keuper argileux», des éléments lithologiques riches en argile et à faible conductivité.

Il se trouve des éléments qui ont caractère d'aquifère dans le Keuper moyen supérieur, en fonction des propriétés lithologiques locales. Ces éléments sont regroupés dans l'unité lithologique de l'aquifère du Keuper.

Sous l'aquifère du Keuper, on trouve des roches peu perméables, qui font partie de l'épaisse unité lithologique du «Keuper gypseux».

Les roches encaissantes situées au-dessus de l'Argile à Opalinus dans les domaines Jura Ost et Jura-Südfuss comprennent en particulier la formation du Passwang. De façon analogue au «Dogger brun», celle-ci a été subdivisée en deux unités lithologiques: les Séries calco-argileuses et les Séries sablo-calcaires. La formation du Passwang a fait l'objet de tests hydrauliques dans les forages de Riniken et Schafisheim. La conductivité s'est révélée très faible dans les deux cas. En association avec le Membre de Sissach en particulier, elle peut atteindre localement une épaisseur de plus de 10 m de séries calcaires, situées juste au-dessus de l'Argile à Opalinus, qui pourraient avoir une conductivité nettement plus élevée dans des zones fortement fissurées ou présentant de petites failles.

Le chapitre «Conceptions de modèles spécifiques à chaque domaine et paramètres pour le transport des radionucléides dans les roches d'accueil et les roches encaissantes» explique comment les conceptions de modèles ont été élaborées et précise l'ensemble de géodonnées utilisé pour l'analyse de sécurité provisoire et la comparaison des domaines du point de vue de la sûreté à l'étape 2 du plan sectoriel. Ces données reposent sur les bases présentées dans les deux chapitres précédents et tiennent compte, pour les paramètres hydrauliques, d'expériences faites dans des roches similaires. Les épaisseurs utilisées pour les unités lithologiques sont issues du dossier II.