Technical Report NTB 04-05

Modelling of Tracer Profiles in Pore Water of Argillaceous Rocks in the Benken Borehole: Stable Water Isotopes, Chloride and Chlorine Isotopes

Les isotopes présents naturellement dans les eaux souterraines sont particulièrement bien adaptés à l’étude des écoulements souterrains et des phénomènes de transport, lorsque ceux-ci se déroulent sur de longues périodes et des distances importantes. C’est le cas dans les roches à faible perméabilité, comme par exemple les argiles et les marnes, où le déplacement des solutés est généralement très lent et par conséquent difficile à observer. Dans différents pays, ce type d’environnement géologique peu perméable fait actuellement l’objet d’études dans la perspective d’un stockage en profondeur de déchets radioactifs ou toxiques. Le sondage profond de Benken (nord-est de la Suisse) a permis l’observation d’une série de couches aquifères séparées par des couches argileuses peu perméables (aquitards). Des échantillons d’eaux souterraines ont été prélevés à différentes profondeurs dans des couches du Malm, Keuper, Muschelkalk et Buntsandstein. Les couches aquifères du Malm et du Keuper entourent une séquence d’argiles et de marnes à une profondeur d’environ 400 à 700 m, qui renferme également la couche d’argiles à Opalinus et dont la conductivité hydraulique moyenne est inférieure à 10-13 m s-1. Dans l’eau interstitielle de cette séquence argilo-marneuse, on a déterminé les isotopes stables de l’eau (δ18O, δ2H), les concentrations en chlorure et les isotopes de chlore (δ37Cl) en fonction de la profondeur. La composition chimique et isotopique des eaux souterraines, ainsi que les gaz nobles qu’elles contiennent, permettent d’exclure une communication entre les différentes couches aquifères. De plus, les eaux souterraines portent l’empreinte géochimique de l’environnement minéralogique duquel elles sont issues. Seules les eaux du Malm indiquent un apport en provenance du bassin molassique plus au sud. Les données ont en outre permis de déduire le lieu ainsi que les conditions climatiques d’infiltration des ces eaux. Les profils de concentration dans les eaux interstitielles des roches faiblement perméables présentent certaines tendances qui indiquent nettement un transport dominé par les phénomènes diffusifs. Une série de modélisations advectives/diffusives a permis d’étudier les phénomènes et échelles de temps qui ont pu produire ce type de profil. Des variations de paramètres ont été effectuées tant sur les conditions initiales dans la zone peu perméable que sur les conditions à la limite régnant dans les couches aquifères environnantes. Les modélisations ont fourni les résultats suivants: (i) Un transport de solutés par diffusion moléculaire en direction de l’aquifère inférieur permet, d’une façon générale, d’expliquer les profils de concentration observés, (ii) aucun indice ne permet de conclure à un transport par advection, (iii) la durée d’élaboration des profils de concentration observés s’élève à environ 0,5 bis 1 Ma (lorsqu’elle est calculée avec des coefficients de diffusion de laboratoire), les pôles extrêmes se situant à 0,2 et 2 Ma, ce qui est plausible du point de vue géologique, et (iv) les paramètres de transport déterminés pour les roches étudiées à petite échelle (cm, m et jours, mois) sont également plausibles à l’échelle du terrain (décamètres, millions d’années) pour les roches envisagées.