Technischer Bericht NTB 90-14
Hydrogeologische Modellierung im Opalinus-Ton und in der Unteren Süsswasser-Molasse der Nordostschweiz
Dans le cadre du projet Sédiments, la Nagra entreprend des recherches pour l'entreposage en profondeur des déchets hautement radioactifs dans des formations sédimentaires. L'option Sédiments est une alternative à l'option Cristallin. Lors la première phase, l'évaluation générale des roches d'accueil potentielles a permis d'identifier deux formations favorables: l'argile à Opalinus (OPA) d'âge Jurassique et la molasse d'eau douce inférieure (USM) d'âge Tertiaire. Une étude à grande échelle a été réalisée dans le but de sélectionner des zones non perturbées du point de vue tectonique et séismique. Le concept d'investigation adopté, ainsi que les résultats obtenus lors de cette phase d'évaluation sont décrits en détail dans le rapport Projet Sédiments (Nagra 1988). Une part importante de l'évaluation est constituée par la caractérisation des systèmes d'écoulements régionaux, qui a été réalisée à l'aide de modèles hydrogéologiques numériques développés pour chaque zone prioritaire sélectionnée. Les objectifs de la modélisation sont d'étudier la distribution régionale des potentiels hydrauliques, la localisation des zones d'infiltration et d'exutoire, de même que les directions d'écoulement et les gradients résultants. Les deux zones examinées se caractérisent par un manque de données hydrogéologiques. La modélisation permet également de mettre en évidence l'ampleur des incertitudes affectant l'évaluation des écoulements régionaux.
Le modèle OPA 88 occupe une superficie de 1600 km2 et se compose de 1600 éléments finis. La surface modélisée comprend les régions à OPA suivantes: le Jura tabulaire au nord de Lägern, le Zürcher Weinland et le Reiat. Les paramètres du modèle adoptés représentent les meilleures estimations disponibles actuellement. Une analyse de sensibilité a permis d'évaluer l'effet des incertitudes liées aux paramètres sur les résultats du modèle.
La distribution du potentiel dans l'argile à Opalinus est régie par le contraste de potentiel entre les aquifères régionaux avoisinants du Malm supérieur (au-dessus) et du Muschelkalk supérieur (en-dessous). Selon l'orientation du gradient hydraulique vertical, l'eau de la roche d'accueil est drainée soit par l'aquifère du Malm ou soit par celui du Muschelkalk et s'écoule vers l'exutoire correspondant. Les localisations suivantes d'exutoires à caractère régional ont pu être identifiées dans la région modélisée:
- la vallée du Rhin à Kaiserstuhl et Neuhausen (bassin de la chute du Rhin) pour l'aquifère du Malm supérieur.
- la portion du Rhin à Koblenz pour l'aquifère du Muschelkalk; cependant la partie orientale du modèle pourrait bien être drainée par le bassin éloigné, situé près de Stuttgart.
L'évaluation de sites hydrogéologiquement adéquats est basée sur la comparaison des temps d'écoulement simulés entre la roche d'accueil et la biosphère. Seules les trajectoires d'écoulement issues d'une profondeur suffisante, correspondant à la localisation d'un site d'entreposage potentiel ont été considérées. Les simulations indiquent que la région la plus favorable devrait être située dans le domaine le plus au sud-est de la zone investiguée (en tenant compte de la profondeur maximum atteignable!). Cette région se trouve à grande distance des zones d'exutoire régionales du Rhin. Cependant, du au manque de données expérimentales, cette partie de la zone modélisée présente les plus fortes incertitudes ayant trait à la distribution du potentiel dans les aquifères du Malm et du Muschelkalk. En effet, le modèle hydrogéologique fournit des informations sur le régime probable des écoulements de la région considérée. Cependant les résultats du modèle ne peuvent pas être considérés comme fiables, car les incertitudes existantes, notamment celles liées à la distribution du potentiel, ne peuvent pas être diminuées. Seule l'acquisition de nouvelles données permettra la calibration du modèle élaboré.
Le second modèle numérique USM 88, développé dans le cadre du projet Sédiments, considère les écoulements régionaux dans la molasse d'eau douce inférieure (USM) à l'est de la vallée de la Limmat. Celui-ci comprend le bassin de la molasse du lac de Zurich au lac de Constance, d'une surface supérieure à 2'600 km2 le modèle se compose de 1'700 éléments. Comme pour le modèle OPA, les données disponibles pour le modèle USM sont également peu nombreuses et incertaines. A l'exception de l'aquifère de la molasse d'eau douce supérieure (OMM) ou plusieurs mesures de potentiel ont été effectuées dans des forages hydrogéologiques. Les potentiels mesurés dans l'OMM n'ont pas été utilisés pour la définition des conditions aux limites, à l'exception de ceux de la zone étroite affleurant à l'est du bassin molassique. Ainsi, les potentiels mesurés à l'intérieur de la zone du modèle peuvent être comparés avec les résultats des différentes variantes du modèle considérées.
Dans ce modèle également, les écoulements au travers de la roche d'accueil sont régis par les conditions de pression présentes dans les aquifères avoisinants d'importance régionale. Ces aquifères comprennent les grès marins de l'OMM, situé au-dessus de la roche d'accueil, et les calcaires du Malm localisés en-dessous. La zone principale d'exutoire de l'aquifère de l'OMM est la large vallée alluviale situé à la confluence de la Thur et du Rhin. D'autres zones d'importance se trouvent dans les vallées de la Töss (à Rorbas) et de la Limmat ainsi que dans la région du lac de Constance, à l'extérieur du domaine modélisé. Les zones d'exutoire de l'aquifère du Malm ont déjà été décrites dans le cadre du modèle OPA.
Les potentiels simulés de l'OMM (entre la vallée de la Limmat et le lac de Constance) se présentent dans le bassin de la molasse sous la forme d'une surface plane et régulière dont le niveau au nord et à l'ouest correspond à celui des zones d'exutoires périphériques de la région considérée. L'effet de drainage engendré par l'OMM entraine que la direction d'écoulement dominante dans la roche d'accueil est de direction verticale. Les plus forts gradients verticaux dans l'USM se présentent au-dessous d'affleurements d'OMM et d'USM dans les vallées. La présence de cheminements d'écoulement direct vers la surface le long de failles perméables est possible, car les pressions rencontrées dans l'aquifère captif OMM dans les régions basses sont principalement de type artésiennes (visibles dans les forages d'exploration Aqui, Tiefenbrunnen, Mainau, Konstanz etc.). L'observation d'écoulements orientés vers le bas au travers de la roche d'accueil ne se rencontre que dans la partie sud-est du modèle correspondant à la région du cône du Hörnli.
Cette observation est en concordance avec les résultats de la modélisation des temps d'écoulement le long de cheminements en provenance de cette région. En effet, les temps calculés sont les plus longs obtenus. Les résultats de la modélisation indiquent que la zone la plus favorable pour un site d'entreposage potentiel se situe le plus au sud-est possible de la zone investiguée, c'est-à-dire à grande distance des zones d'affleurements des niveaux molassiques OMM et USM. Le site devrait donc être localisé à la plus grande profondeur possible, car le plongement des couches molassiques est vers le sud-est.