Technischer Bericht NTB 14-02/III

Dossier III: Evolution géologique à long terme

Le dossier «Evolution géologique à long terme» est consacré à l'étude des mouvements néotectoniques et à l'érosion au cours des 105 et 106 années (périodes considérées pour les dépôts DFMA et DHA respectivement) dans les domaines d'implantation géologiques. Il sert de base pour la comparaison des domaines d'implantation du point de vue de la sûreté en ce qui concerne les indicateurs «Conceptions de modèles sur l'évolution à long terme (géodynamique et néotectonique; autres processus)», «Sismicité», «Erosion au cours de la période considérée», «Profondeur sous le niveau du sol dans la perspective de la décompaction des roches», «Profondeur sous la surface rocheuse dans la perspective d'un surcreusement glaciaire» et «Profondeur et base d'érosion locale dans la perspective de la formation de nouveaux sillons d'écoulement fluvio-glaciaires».

Pour l'évolution géologique à long terme, les travaux de l'étape 2 du plan sectoriel ont été essentiellement axés sur l'étude de la littérature et la compilation des données existantes. Pour évaluer les aspects néotectoniques et l'érosion, on a utilisé le modèle de haute définition de la surface du sol, le modèle de la surface de la roche amélioré au cours de l'étape 2 du plan sectoriel ainsi que des données recompilées relatives à la répartition et à l'altitude des dépôts fluviatiles, fluvio-glaciaires et glaciaires. En outre, des analyses géodésiques ont été effectuées pour détecter des mouvements récents de la croûte terrestre; les données actuelles sur la sismicité et l'état des contraintes ont été réunies et analysées. Au cours de cette étape, les données retraitées et densifiées émanant des campagnes sismiques 2D ont permis d'approfondir les connaissances dans plusieurs domaines, en particulier concernant la structure du socle et de sa couverture sédimentaire, ainsi que sur la profondeur des roches d'accueil potentielles dans le nord de la Suisse (cf. dossier II). Ces informations sont indispensables pour identifier les éléments tectoniques régionaux à éviter en raison de la situation néotectonique et pour évaluer la profondeur de la roche d'accueil en tenant compte de l'érosion future.

Il ressort des études de la littérature et des analyses détaillées des terrasses alluviales, effectuées à l'aide de modèles de terrain à haute résolution, que l'activité néotectonique dans la région de la Suisse septentrionale a été très faible depuis le Pliocène tardif. Une éventuelle activité néotectonique est difficile à identifier, notamment en raison de l'extrême lenteur des mouvements. Dans la plupart des cas, il n'est pas possible actuellement d'exclure toute activité néotectonique le long d'éléments tectoniques régionaux connus. Les données issues du nivellement de précision indiquent dans des cas isolés une activité néotectonique, par exemple dans la région du Jura plissé. Sur la base des informations dont on dispose sur le champ des contraintes récent dans cette région, on peut supposer que plusieurs zones de failles existantes pourraient être réactivées dans le futur, surtout sous forme de failles normales ou décrochantes. A l'heure actuelle, il est impossible de déterminer de façon définitive si une déformation future dans le nord de la Suisse affectera, comme ce fut le cas entre le Miocène inférieur et le Pliocène supérieur, prioritairement les sédiments de la couverture, ou si elle inclura également le socle, entraînant une réactivation des bordures du fossé permo-carbonifière. En se fondant sur les connaissances relatives aux régions voisines (p. ex. fossé du Rhin supérieur) et en tenant compte des incertitudes qui subsistent, il faut envisager les deux scénarios. C'est précisément en raison de ces incertitudes qu'il convient d'éviter les zones de failles régionales existantes ainsi que d'autres éléments où de futures déformations sont possibles. A l'étape 2 du plan sectoriel, dans le nord de la Suisse, on a par conséquent décrété «zones tectoniques à éviter» les zones de failles régionales dans la couverture rocheuse, mais aussi les bordures du fossé permo-carbonifère du nord de la Suisse réactivées après le Paléozoïque et les structures anticlinales; ces secteurs ont été pris en compte pour la définition du périmètre de dépôt dans le cadre de la comparaison des domaines du point de vue de la sûreté.

Le domaine d'implantation géologique du Wellenberg est, d'une manière générale, considéré comme moins favorable que les domaines du nord de la Suisse si l'on considère les modélisations relatives à la néotectonique. En l'occurrence, la tectonique polyphasée est beaucoup plus importante du fait que le domaine est situé entre deux nappes alpines. Les taux de soulèvement récents dans cette région sont nettement plus élevés que dans le nord de la Suisse, tout comme l'activité sismique, surtout dans la partie peu profonde de la croûte (< 5-15 km); on constate l'expression d'une activité néotectonique comparativement plus élevée. Par ailleurs, il n'est pas possible de cartographier systématiquement le domaine du Wellenberg à l'aide de la sismique réflexion (contrairement au nord de la Suisse), afin d'éviter les principales zones de failles qui seraient susceptibles d'être réactivées par de futures déformations.

Si l'on considère les domaines d'implantation sur le plan d'une érosion future, il apparaît que celle-ci va dépendre de processus endogènes (p. ex. soulèvement tectonique), mais surtout de phénomènes exogènes. Ces derniers sont liés avant tout aux conditions climatiques. Pour évaluer l'érosion future, on a envisagé un large éventail de possibilités concernant l'évolution potentielle du climat; le scénario le plus probable est cependant la poursuite des cycles glaciaires/interglaciaires, avec des poussées glaciaires répétées atteignant la bordure externe de l'avant-pays alpin. Les scénarios d'érosion ont été par conséquent basés sur l'évolution de la topographie au cours des deux derniers millions d'années, déjà caractérisée par une alternance de périodes chaudes et de périodes froides, avec une cyclicité tout d'abord de 40 000 ans, plus tard de 100 000 ans. Selon les modèles climatologiques établis pour les 105 années à venir, la prochaine glaciation avec des poussées glaciaires atteignant la bordure externe de l'avant-pays alpin ne devrait pas intervenir avant 60 000 ans; en fonction des hypothèses retenues pour les émissions de CO2 anthropogènes, cette glaciation pourrait aussi intervenir nettement plus tard.

Si l'on considère les processus d'érosion, la profondeur à laquelle se situe la roche d'accueil dans le domaine d'implantation et le périmètre de dépôt joue un rôle primordial pour la stabilité à long terme d'un dépôt en couches géologiques profondes. D'une manière générale, plus la couverture est épaisse, meilleure est la protection du dépôt contre des effets de décompaction ou de dénudement dus à l'érosion. Au cours de l'étape 1 du plan sectoriel, l'épaisseur de recouvrement de la roche d'accueil par rapport à la surface du sol et à la surface rocheuse a été analysé. Les résultats ont ensuite servi à délimiter et évaluer des zones préférentielles. Cette approche simplifiée est partie du principe que le taux d'érosion ne montrerait pas de variations latérales, que la topographie locale serait conservée dans ses grandes lignes et que le surcreusement glaciaire s'exercerait en priorité au niveau des vallées déjà surcreusées, dont le profil se trouverait accentué. Au cours de l'étape 2 du plan sectoriel, un facteur supplémentaire a été pris en compte pour délimiter les périmètres de dépôt qui doivent être comparés du point de vue de la sûreté: il s'agit des zones situées entre des vallées principales, qui pourraient éventuellement connaître une érosion plus rapide que celles-ci. En effet, il est attesté que, lors d'une glaciation, des vallées existantes peuvent assez rapidement s'obturer ou être comblées par des dépôts. Ce phénomène peut déboucher sur la formation de nouvelles vallées surcreusées que l'on nomme «sillons d'écoulement fluvio-glaciaires». Pour tenir compte de ce processus, l'étape 2 prend en considération la profondeur de la roche d'accueil envisagée non seulement par rapport à la surface du sol et de la surface de la couverture rocheuse, mais aussi par rapport à la base d'érosion locale. L'ensemble de ces données est utilisé lors de la délimitation des périmètres de dépôt et de leur évaluation comparative.

Dans les trois domaines destinés aux dépôts DHA, l'évolution de la base d'érosion locale (genèse du creusement des cours d'eau principaux) a été reconstituée sur les derniers 2 millions d'années à partir des dépôts de cailloutis fluviatiles et fluvio-glaciaires. Les causes envisagées et examinées pour les processus de creusement passés sont aussi bien endogènes (soulèvement) qu'exogènes (p. ex. un débit accru lié à des changements climatiques ou à des modifications du bassin versant). Dans le nord de la Suisse, les baisses les plus rapides et les plus marquées de la base d'érosion locale survenues au cours des derniers 5 à 10 millions d'années sont dues à des déplacements des lignes régionales de partage des eaux, en particulier la déviation de l'Aar/Danube vers le système Doubs/Rhône et finalement vers le Rhin. Une analyse à large échelle du réseau de drainage hydrographique du nord de la Suisse montre que le bassin versant du système Aar/Rhin continuera à s'agrandir par rapport au système du Danube, ceci en raison de sa plus faible altitude et parce qu'il est peu probable qu'un abaissement de la base d'érosion locale lié au déplacement des lignes régionales de partage des eaux survienne dans les 105 - 106 années à venir. En partant des réflexions sur l'évolution passée du réseau hydrologique et sur les cours d'eau actuels, plusieurs scénarios ont été ébauchés pour le développement de la base d'érosion locale à l'avenir. Ces scénarios varient selon les types de dépôts, et par conséquent les périodes considérées, et parfois aussi selon les domaines d'implantation proposés.

Le surcreusement glaciaire est un processus qui peut aussi jouer un rôle significatif en dessous de la base d'érosion locale, comme l'attestent plusieurs vallées surcreusées situées dans le nord de la Suisse. Ces vallées se trouvent avant tout dans le substrat molassique. Dans le calcaire du Jurassique supérieur (Malm), elles sont en revanche très rares et de faible profondeur. Pour atteindre une profondeur critique pour un dépôt géologique, une vallée surcreusée devrait entailler non seulement le substrat molassique, mais encore, selon le domaine d'implantation, une épaisseur de roches calcaires de plus de 200 m. Le surcreusement glaciaire a lieu en priorité là où l'épaisseur de la glace est la plus grande et le débit le plus rapide, c'est-à-dire dans les vallées et les surcreusements existants. Toutefois, en particulier en terrain plat et sur de longues périodes comprenant plusieurs cycles de glaciation, la formation de nouvelles vallées surcreusées est possible. C'est pourquoi, dans le cadre de l'étude sur le surcreusement glaciaire à l'étape 2 du plan sectoriel, on a examiné non seulement le scénario du creusement et de l'élargissement des vallées surcreusées existantes, mais aussi la formation de nouveaux surcreusements, qui apparaîtraient en dessous du niveau d'érosion local actuel au cours de la période considérée.

Les domaines d'implantation du nord de la Suisse et les périmètres de dépôt ne sont pas tous affectés de la même manière par les scénarios d'érosion examinés, en raison des différences dans la profondeur de la roche d'accueil et le type de dépôt. Dans le cas des domaines pour dépôts DFMA, à savoir Zürich Nordost, Nördlich Lägern, Jura Ost et Jura-Südfuss, les périmètres prévus pour le dépôt peuvent être placés à des profondeurs garantissant qu'une épaisse couverture de roche d'accueil subsistera à la fin de la période de confinement, même dans l'hypothèse d'une érosion extrême. Dans le domaine pour dépôt DFMA de Südranden par contre, la couverture est comparativement faible si l'on considère la base d'érosion locale. Par ailleurs, l'existence de plusieurs vallées surcreusées est connue dans les régions environnantes. Une paléo-vallée aujourd'hui comblée par des sédiments quaternaires se situe d'ailleurs à l'intérieur du domaine d'implantation. On ne peut donc pas exclure la formation d'un nouveau sillon d'écoulement au cours de la période pertinente pour un dépôt DFMA. Dans deux domaines d'implantation pour dépôts DHA, Zürich Nordost et Nördlich Lägern, la couverture restera considérable, même si l'on applique des scénarios d'érosion extrême sur la durée nettement supérieure à prendre en considération (106 années). Pour le domaine pour dépôt DHA de Jura Ost, étant donné que la période à considérer est beaucoup plus longue que pour le dépôt DFMA, on a pris en compte la formation d'un sillon d'écoulement fluvio-glaciaire dans le cas d'un scénario d'érosion extrême: la couverture qui subsisterait dans ce domaine à l'issue de la période déterminante serait alors nettement plus mince.

Pour le domaine du Wellenberg, trois nouveaux scénarios d'érosion (surcreusement glaciaire de 50, 100 et 200 m) ont été élaborés à l'étape 2 du plan sectoriel afin de compléter les scénarios datant des études préalables. Pour ces scénarios, on a supposé que, à l'issue d'un surcreusement glaciaire de la vallée d'Engelberg, la partie profonde du glissement d'Altzellen, située partiellement au-dessus de la zone de dépôt, serait réactivée plus bas, de sorte que sa partie supérieure se mettrait aussi en mouvement; le glissement s'arrêterait lorsque l'angle des pentes atteindrait à nouveau un état d'équilibre par rapport au nouveau niveau de la vallée d'Engelberg comblée par les dépôts glaciaires. Du fait que la roche d'accueil dans ce domaine d'implantation se présente sous la forme d'une couche verticale de grande épaisseur due à une accumulation tectonique, on dispose d'une liberté suffisante pour déterminer la profondeur du dépôt. Il sera donc possible de répondre aux nouvelles exigences (accrues par rapport aux phases d'étude antérieures) relatives à l'érosion et à la décompaction (voir dossier VI), en plaçant le dépôt à une plus grande profondeur.