Technical Report NTB 87-14

Les résultats des études géologiques et pétrographiques entreprises entre 1980 et 1987 dans la région du Juchlistock ainsi que dans le laboratoire souterrain du Grimsel (LSG) sont répertoriés et commentés dans le présent rapport. Ces investigations comprennent:

• la cartographie géologique du Juchlistock;
• le relevé géologique d'environ 840 m de galeries;
• le relevé géologique d'environ 1476 m de forages carottés;
• le dépouillement statistique et l'interprétation d'environ 3500 données structurales souterraines;
• la mesure du débit des pointements d'eau souterraine dans les galeries et les forages.

Géologie

Le LSG se trouve dans la moitié méridionale de la partie centrale du massif de l'Aar, à une profondeur moyenne de 400 m sous le Juchlistock, où n'affleurent pratiquement que des roches granitiques. C'est ainsi que la moitié nord du LSG est comprise dans le granit central de l'Aar, alors que la moitié sud est taillée dans la granodiorite du Grimsel. Des filons intrusifs de lamprophyre, rassemblés en faisceaux, ainsi que quelques filons d'aplites peu fréquents en­trecoupent ces roches granitiques. L'âge de consolidation varisque des granits est de l'ordre de 290-300 Ma, alors que celui des aplites voisine 250 Ma.

L'ensemble du massif de l'Aar a été affecté par une déformation et un métamorphisme alpins importants. Le développement de la fabrique dominante des roches est contemporain de l'empreinte métamorphique de faciès "schistes verts", dont l'âge oscille entre 20 et 25 Ma. Les conditions de température et de pression atteintes pendant le métamorphisme sont de l'ordre de 400 à 450 °C et 3 kb, ce qui correspond à un enfouissement d'environ 10 km. La déformation a affecté toutes les roches, avec une intensité toutefois variable, conditionnant ainsi le développement de structures aussi bien ductiles que cassantes. La première catégorie comprend une ou plusieurs schistosités, des zones de cisaillement et des mylonites, alors que la seconde regroupe des fractures de cisaillement et de tension. Les transformations métamorphiques ont acompagné et parfois favorisé la déformation ductile, notamment dans le cas du remplacement du feldspath potassique par le mica blanc.

En plus de ces structures, des fentes de tension se sont formées pendant une phase tardive de la structuration alpine, de préférence le long de discontinuités mécaniques majeures telles les contacts entre granits et lamprophyres. La formation de ces fentes alpines, dont l'âge est de l'ordre de 15 Ma, a été accompagnée par une importante activité hydrothermale. En effet, aux abords de ces fentes, la roche a été intensément lessivée, augmentant ainsi de manière substantielle la porosité (jusqu'à un maximum de 18 %-vol.). En conséquence de cette activité hydrothermale, les fractures ont été en grande partie scellées.

Succédant à l'orogénèse alpine, le soulèvement du massif de l'Aar, se poursuit encore en partie à l'heure actuelle. Les structures planaires les plus importantes ont été réactivées de manière cassante pendant ce soulèvement. C'est ainsi que se sont formées la plupart des fractures "ouvertes", constituant à l'heure actuelle des voies potentielles de circulation d'eau souterraine.

Géologie structurale

Le dépouillement statistique des données structurales (structures cassantes uni- quement) a nécessité une discrimination basée sur la nature des minéraux scellant les fractures. Les données proviennent de tronçons de galeries du LSG ainsi que de 12 forages. Trois systèmes structuraux ductiles avec orientation préférentielle des minéraux ont pu être distingués:

• la schistosité principale S₂, très redressée, d'orientation NE-SW et plongeant vers le SE;
• les plans de cisaillement S₁ et S₃, également redressés, conjugués par rapport à S₂ et d'orientation subparallèle à S₂ (S₁) ou E-W (S₃).

Comme S₁ ne peut être que difficilement séparé de S₂ en ne tenant compte que de l'azimut et de l'angle du pendage, les deux systèmes ont été regroupés en un ensemble (S₁+S₂).

En plus de ces structures ductiles, l'existence de six systèmes de fractures est bien documentée (ces structures sont décrites à l'aide préfixe K, hormis S₄, S₅ et S₆ qui ont été repris de STECK 1968a). Il s'agit des systèmes suivants:

• S₄/K₄, K2/L (L = orientation de lamprophyres), K₁, K₃;
• ZK (fentes subhorizontales)

L'existence des systèmes S₅ et S₆ peut être soupçonnée, mais le peu de données structurales les étayant grève leur identification. En général, ces systèmes forment des couples de structures conjuguées par rapport à S₂. S₄/K₄ et K₂/L ont été regroupés en un système du fait que dans la plupart des cas, des recoupements d'orientation hypothèquent toute discrimination.

Le LSG a été divisé en secteurs correspondant soit à un forage, soit à un tronçon de galerie. La distribution et l'abondance des systèmes structuraux varie sensiblement d'un secteur à l'autre; de plus, des changements d'orientation de 10 à 20° sont fréquents. En règle générale, la part des fractures ouvertes est nettement supérieure dans les systèmes structuraux quantitativement dominants comme S₁+S₂. Toutefois, comme les populations de fractures diffèrent d'un secteur à l'autre, les diaclases ouvertes peuvent également abonder dans les systèmes S₃, K₂/L et S₅.

Les observations faites à la surface permettent d'élargir le spectre des données obtenues sous terre, bien que seule une partie des systèmes ait été reconnue. En effet, en dehors de la schistosité principale S₂, seuls S₁, S₃, K₂/L et K₃ ont pu être mis en évidence. L'obtention des données structurales en surface le long de profils, dans les galeries ou sur les carottes procède de la même manière unidimensionelle. Le dépouillement des données souterraines permet une comparaison avec les distributions spatiale et quantitative des structures en surface. Les données de surface complètent d'ailleurs la caractérisation des différents systèmes, par l'estimation de l'extension latérale des structures ainsi que par les indices de mouvements le long des fractures.

A l'échelle de l'affleurement, le secteur Juchlistock-LSG se traduit par une grande complexité du fait du manque ou de la rareté de zones sans développement de structures planaires. A l'échelle régionale toutefois, une image plus simple se dégage en raison de la dominance des systèmes S₁+S₂, S₃ et K₂/L.

Circulation d'eau souterraine

Le site du LSG a été sciemment choisi en se basant sur le relevé géologique de la galerie d'accès à la centrale des "Kraftwerke Oberhasli" (KWO), là où font défaut les importantes zones déformées aquifères. C'est ainsi que le LSG se trouve dans une secteur rocheux plutôt sec, car des zones déformées où circule de l'eau souterraine, n'ont été rencontrées qu'au Nord (secteur BK) ou au Sud (secteur AU) du LSG.

L'eau rencontrée dans le massif rocheux se cantonne aux structures planaires, en premier lieux dans les fractures des systèmes S₁+S₂ et le long des contacts granits/lamprophyres. Ces structures possèdent une extension latérale très importante et se poursuivent jusqu'à la surface ou communiquent avec des structures en surface.

Les pointements d'eau dans la galerie d'accès sont influencés par des facteurs climatiques (fonte des neiges, variation du niveau des retenues d'eau) jusqu'à une profondeur de 250 m sous terre. Dans le secteur du LSG, où le recouvrement rocheux atteint 400 m, de telles influences ne peuvent être mises en évidence.

En règle générale, les débits d'eau souterraine sont faibles, puis­qu'ils n'atteignent que:

• 0-12 ml/min·m' dans les forages;
• 0.1-3 ml/min par fracture ouverte dans les forages.

Des débits plus importants peuvent être localement observés dans les zones fortement fracturées des secteurs BK, US et MI.