Technischer Bericht NTB 96-01

Le présent rapport final documente l'ensemble des investigations effectuées jusqu'ici au Wellenberg. Celles-ci comprenaient pour l'essentiel sept forages profonds, plusieurs campagnes de sismique réflexion et réfraction, la réalisation de piézomètres et de forages de reconnaissance, ainsi qu'un certain nombre d'études géologiques de terrain.

Ces investigations avaient pour objectif de constituer un jeu de données géologiques suffisamment complet pour permettre une évaluation approfondie de l'aptitude du site au stockage. Les questions les plus importantes ont trait à la sécurité à long-terme du dépôt final prévu. En conséquence, les objectifs des investigations étaient principalement concentrés sur les besoins de l'analyse de sûreté. La faisabilité technique et la nécessité de constituer une base de données solide pour la planification de futures explorations souterraines constituant une deuxième priorité.

La fin des investigations à partir de la surface représente une étape importante de la caractérisation géologique du site. Une amélioration significative de l'état actuel des connaissances ne sera possible que lorsque la galerie souterraine prévue permettra d'accéder directement à la zone de dépôt. Le présent rapport a pour but de documenter de manière succincte les recherches entreprises jusqu'ici, de présenter et discuter les interprétations possibles, ainsi que de rendre compréhensibles les conclusions qui en sont tirées. Ce rapport a été conçu de manière à ce que le lecteur puisse suivre pas-à-pas le raisonnement qui a conduit à l'application et à l'amélioration de la méthode d'élaboration de la synthèse géologique.

Dans le cadre de l'analyse de sûreté, les données géologiques directement utilisables sont constituées de paramètres (en règle générale il s'agit de valeurs recommandées y compris leur marge d'incertitude) et des hypothèses de travail utilisées pour obtenir ces paramètres. Pour l'ensemble des données géologiques qui entrent directement dans l'analyse de sûreté, on utilise le terme de jeu de données géologiques (GDS ­"Geodatensatz"). La plupart des paramètres du GDS découlent de résultats de différents modèles mathématiques. Les modèles conceptuels et numériques constituent dès lors un élément essentiel du schéma d'élaboration des données (Datenflussdiagramm) de la synthèse géologique. Les modèles comprennent de manière condensée certaines connaissances provenant des observations de terrain et certaines hypothèses conceptuelles. Ils relient de la sorte les données de terrain aux valeurs paramétriques du jeu de données géologiques.

Le modèle géologique du site ("geologisches Standortmodell") décrit la configuration des éléments géométriques et tectoniques à large échelle et constitue la base de toutes les étapes d'élaboration ultérieures. La définition des limites entre formations géologiques se base d'une part sur les résultats des forages et des affleurements et d'autre part sur les études stratigraphiques et tectoniques, qui sont utilisées dans tous les cas où la disposition spatiale n'a pu être fixée grâce aux seules données de terrain.

La définition de roche d'accueil ("Wirtgestein"), qui se référait à l'origine à la formation de Palfris et aux marnes de Vitznau, fut élargie en 1994 au Mélange interhelvétique, ainsi qu'aux schistes tertiaires de la nappe de l'Axe (marnes à Globigérines, schistes de Schimberg), car les propriétés en matière de sûreté de ces formations peuvent être considérées comme équivalentes. Les dernières investigations effectuées dans le forage SB4a/v/s ont pleinement confirmé cette affirmation. La roche hôte est limitée au nord par les calcaires de la nappe du Drusberg et au sud par les calcaires et molasses de la nappe de l'Axe. Sa base, à savoir le Mélange infrahelvétique, resp. la surface de l'équivalent de l'écaille du Wissberg ("Wissberg-Scholle"), est située à environ 1'000 m sous la cote du dépôt. La roche d'accueil comporte, selon l'interprétation la plus réaliste, une extension nord-sud de plus de 1 '700 m; l'extension dans l'axe est-ouest étant dictée par le modelé topographique. Même la variante la plus pessimiste comporte encore près de 1'200 m dans l'axe nord-sud, ce qui suffit largement au positionnement du dépôt envisagé.

Aucune zone de failles importante, ni d'inclusion ou écaille de roche étrangère n'ont pu être mises en évidence. Celles-ci auraient pu constituer - en raison de leurs propriétés hydrauliques (T> 10^-7 m²/s resp. K > 10^-9 m/s) et de leur extension - un cheminement préférentiel vers la biosphère ou vers une formation adjacente plus perméable. Ceci peut tout à la fois signifier que de telles inhomogénéités ("critères d'exclusion") n'existent pas dans la zone de stockage (hypothèse préférentielle) ou que les sondages effectués ont été insuffisants pour les repérer (hypothèse alternative). Les travaux souterrains prévus lors de la prochaine étape d'exploration permettront de répondre de manière définitive à cette question, du-moins en ce qui concerne la zone de stockage.

Afin de déterminer quantitativement le champ de contraintes récent, des mesures in situ ont été effectuées dans quatre forages et à différents niveaux de profondeur. L'orientation la plus plausible de la contrainte horizontale maximale S_H est de 131° ± 10°, c'est-à-dire presque à la normale du front de la nappe de l'Axe. La distribution des contraintes sur l'ensemble du site (et surtout aux alentours de la zone de dépôt) fut déterminée à l'aide d'un modèle tridimensionnel (par "Distinct Element Method"), sur la base des mesures en forage.

Bien que la Suisse centrale comporte une activité sismique non négligeable, elle ne représente -comme l'atteste l'expérience acquise sur les constructions souterraines et les études en sous-sol -aucun risque pour la sécurité à long-terme du dépôt. La zone de pressions hydrauliques anormalement basses, ainsi que les eaux de formation hautement salines dans les parties très peu perméables de la roche d'accueil montrent qu'aucun des nombreux séismes que cette région a connu tant à l'échelle géologique qu'à notre époque n'a laissé de trace (par exemple en favorisant des connexions hydrauliques hautement perméables).

Les scénarios d'évolution à long-terme se basent surtout sur les résultats d'études supra-régionales et sur des données empiriques des relations entre climat et érosion. Il est fort probable que l'évolution à long-terme du site sera pour longtemps encore dominée par les effets de l'orogenèse alpine (soulèvement et érosion). Même en considérant le scénario climatique le plus défavorable et en utilisant des paramètres extrêmement conservatifs (pessimistes), le dépôt ne sera pas directement affecté par l'érosion. Par contre, une augmentation progressive de la conductivité hydraulique de la roche encaissante est à prévoir durant cette période.

Toutes les observations faites jusqu'à présent tendent à montrer que la roche d'accueil est un milieu fracturé avec une matrice extrêmement peu perméable. La circulation hydraulique est concentrée presque exclusivement dans les discontinuités formées par déformation cassante ou dans des discontinuités ductiles réactivées par une phase postérieure de déformation cassante. Les discontinuités purement ductiles n'offrent pas de voie de cheminement. Afin de décrire quantitativement la structure interne, en particulier le système connecté de discontinuités transmissives à l'intérieur de la roche d'accueil, il n'y a guère qu'un modèle non-déterministe, à savoir statistique, qui rentre en ligne de compte.

Ce modèle, appelé modèle bloc ("Blockmodell") représente un cube de roche d'accueil de 500 m de côté. Il est construit pour l'essentiel sur la base du traitement statistique, ou plus précisément stochastique, des données géologiques et hydrogéologiques. Les résultats des sondages d'exploration suggèrent que la distribution des systèmes transmissifs peut être considérée comme homogène à l'échelle de 500 m et par conséquent représentative pour l'ensemble de la roche d'accueil. Les paramètres hydrauliques révèlent par contre une forte corrélation avec la profondeur, qui peut être exprimée par des moyennes et variances en fonction de la profondeur. On suppose, que la décompaction de la roche de plus en plus prononcée vers la surface a provoqué l'ouverture de zones de cisaillement et de microfractures et donc une certaine augmentation de la conductivité hydraulique.

Par analogie avec les travaux antérieurs, on distingue quatre types de systèmes transmissifs (WFS -"wasserführende Systeme"): les zones de cisaillement cataclastique (type 1), les zones de cisaillement fines (type 2), les calcaires marneux / bancs de calcaire comportant des veines à géodes tant à l'intérieur qu'à l'extérieur des séquences de bancs calcaires (type 3a/b) et les failles dans les argiles marneux et les marnes (type 4). Leur implémentation dans le modèle bloc repose sur une description statistique des propriétés géométriques (extension, fréquence, orientation, hétérogénéité interne) et sur une caractérisation hydraulique détaillée. Sur la base des résultats des forages et des modélisations ultérieures, il est apparu clairement que le type WFS 1 (zones de cisaillement cataclastique) est déterminant pour la circulation hydraulique dans la roche d'accueil. Pour cette raison, la distribution hétérogène des zones plus ou moins transmissives à l'intérieur des WFS (channelling) est prise en compte dans le cas des grandes discontinuités. La détermination du facteur de channelling se base sur le rapport entre WFS transmissifs et non transmissifs tels qu'observés en forages. Les incertitudes les plus grandes lors de la conceptualisation des WFS concernent leur extension et leur connectivité. Des études paramétriques ont permis de cerner cette incertitude, en partie à l'aide d'analyses d'affleurements (mesure des discontinuités) et en partie en corrélant les grandes structures entre forages voisins (continuité des bancs calcaires).

La quantification des conditions de circulation des eaux souterraines fut effectuée en utilisant des échelles d'observation adéquates. A ces différentes échelles correspondent deux conceptualisations différentes des propriétés hydrauliques de la roche d'accueil. Le modèle bloc est la base de l'observation détaillée des conditions de circulation au niveau hectométrique. La roche hôte est considérée en ce cas comme un réseau discret de systèmes transmissifs (WFS), qui sont schématisés sous forme de surfaces planes (concept des réseaux de fractures). Pour les questions nécessitant un traitement dans un cadre plus vaste des conditions d'écoulement (échelle kilométrique), l'approche discrète n'est ni possible, ni judicieuse. A cette échelle, la roche d'accueil ainsi que les formations adjacentes sont considérées comme un milieu à porosité d'interstices équivalent (concept "EPM").

Alors qu'une conductivité hydraulique constante est attribuée aux formations au pour­tour de la roche d'accueil, la distribution de la conductivité hydraulique à l'intérieur de celle-ci est régie par un nouveau type de modèle tridimensionnel, élaboré par des procédés géostatistiques (Kriging). Ce modèle de perméabilité ou modèle K ("K-Modell") livre à chaque point de la roche d'accueil une valeur de conductivité hydraulique interpolée, y compris la variance d'estimation correspondante. C'est dans le cadre de cette variance d'estimation que des simulations conditionnées de plusieurs champs de perméabilité (réalisations) sont générées. Ces réalisations représentent la variabilité naturelle de la distribution des conductivités hydrauliques. Les données d'entrée pour le modèle K (ainsi que les conditions aux limites des réalisations de K) sont déduites à partir des valeurs de transmissivité acquises en forage. Ces valeurs oscillent dans la partie supérieure entre 10^-5 m²/s et 10^-8 m²/s et dans la partie inférieure entre 10^-9 m²/s et 10^-12 m²/s. Le modèle bloc joue est l'instrument essentiel, tant pour transformer les transmissivités mesurées en valeurs effectives de conductivité hydraulique (conversion T→K), que pour procéder de manière inverse, à savoir pour re-transformer en trans­missivités les conductivités hydrauliques locales du modèle K (conversion K→T). La base de données commune aux deux approches conceptuelles assure la consistence interne de la chaîne des modèles.

Les potentiels hydrauliques dans les formations adjacentes sont indispensables pour définir les conditions aux limites du modèle à l'échelle régionale. Ceci s'applique en particulier aux conditions de saturation dans les formations calcaires des nappes tectoniques de l'Axe et du Drusberg. Les observations de sources et piézomètres laissent à penser que les calcaires -au contraire de la roche d'accueil -ne sont que partiellement saturés. Le niveau approximatif de la saturation dans les joints karstiques constitue tout à la fois l'inconnue la plus grande et l'information la plus importante. C'est pourquoi des variations paramétriques du niveau de saturation dans les calcaires de la nappe de l'Axe ont été effectués.

Les potentiels hydrauliques dans la roche d'accueil se situent dans sa partie supé­rieure entre les niveaux hydrostatique et artésien, et deviennent très faibles immédia­tement sous la cote de la vallée d'Engelberg. Ces potentiels sont clairement inférieurs aux cotes d'altitude de toutes les zones d'exutoire local ou régional envisageables. Ils atteignent même quasiment le niveau de la mer dans les forages 8B1 et 8B2. L'allure des profils de potentiel est très semblable dans la plupart des forages et suggère l'existence d'une zone continue de pressions subnormales (UDZ -"Unterdruckzone") dans la partie centrale de la roche hôte. Cette anomalie a été probablement formée par la décompaction mécanique du corps de roche extrêmement peu perméable. Le scénario d'évolution le plus conservatif (à savoir le plus minimaliste en termes de durée) étant celui de la fonte des glaces à la fin de la dernière glaciation -comme suggéré par certains modèles. Ce phénomène est à caractère non stationnaire et oblige à modéliser les écoulements de manière transitoire. Les conditions initiales sont dictées par la géométrie actuelle supposée de la zone de pressions anormales et par le taux de dissipation escompté (conservatif).

Les différents types de questions posées à l'hydrogéologue ont été traitées au moyen de trois modèles numériques, compatibles entre eux et couvrant chacun une échelle d'observation différente. Le modèle régional ("Regionalmodell") est l'outil avec lequel on étudie avant tout les interactions entre roche d'accueil et formations adjacentes, ainsi que l'effet de la zone de pressions anormales (UDZ) sur les conditions d'écoule­ment à grande échelle. L'un des résultats importants découlant des simulations est que -durant toute la durée d'existence de la zone de pressions anormales -des exfiltrations à partir de la zone de dépôt vers la biosphère sont pratiquement exclues. De plus, si des conditions stationnaires peuvent se rétablir, seule la vallée de I'Engelberg jouera le rôle de zone d'exfiltration. Même en utilisant des conditions aux mites extrêmes, aucune ligne d'écoulement n'aboutit sur les pentes d'Altzellen ou dans la vallée du Secklis Bach.

Le modèle du dépôt ("Kavernenumfeldmodell") sert avant tout à évaluer les effets des constructions souterraines sur le champ d'écoulement naturel (étendue et durée de la perturbation des potentiels suite à la construction et à l'exploitation du dépôt, effets de la zone de détente du massif rocheux au pourtour des cavernes et galeries, effet de rétention hydraulique des zones de scellement, etc.). Pour ce faire, il fut nécessaire de discrétiser explicitement les installations souterraines. Plus le stade de dissipation de la zone de pressions anormales est avancé et plus on remarque le développement d'une ligne de partage des eaux passant par le milieu du dépôt. Les constructions souterrai­nes n'affectent pratiquement pas les conditions d'écoulement régionales et ne provoquent qu'une faible dépression confinée au pourtour des installations. Les scellements ont été prévus de manière judicieuse, puisqu'ils empêchent clairement une décharge des cavernes par le système des galeries d'accès. Les gradients hydrauliques dans les cavernes sont très faibles (< 0.1 m/m) et les débits n'atteignent qu'environ 1 m³ par an et par caverne.

Le modèle à l'échelle des cavernes ("Kavernenumfeldmodell") est constitué d'un réseau de fractures, au contraire des modèles pré-cités. Ce modèle permet d'étudier en premier lieu la distribution du flux dans les WFS au pourtour immédiat des cavernes de dépôt. Les simulations montrent que -par comparaison avec les résultats de travaux précédents -le nombre de structures par mètre de galerie a augmenté, car il a été tenu compte non seulement des systèmes transmissifs connectés, mais aussi et surtout de l'ensemble des discontinuités recensées. En revanche, le débit total à travers le dépôt (sous conditions quasi-stationnaires) s'abaisse d'environ un ordre de grandeur par rapport aux prévisions précédentes.

Les propriétés hydrochimiques et isotopiques des échantillons d'eau souterraine préle­vés dans les forages profonds permettent d'obtenir des informations sur l'âge (ou temps de résidence) et sur les voies d'écoulement. Les eaux échantillonnées et les eaux extraites des pores de la roche montrent un zonage en fonction de la profondeur qui est consistant avec les modèles hydrogéologiques. Les eaux proches de la surface sont de type Ca-HCO₃, relayées à plus grande profondeur par des eaux de type Na-HCO₃, dont les âges s'échelonnent entre 40 et plusieurs milliers d'années. A des niveaux de profondeur supérieurs à 400 m sous la surface, on observe des eaux beaucoup plus anciennes, de type Na-CI, qui conservent une forte proportion en eau de formation d'âge néoalpin, datant de plusieurs millions d'années. Dans le pourtour du dépôt, respectivement dans la zone de dépôt, il faut s'attendre à rencontrer des eaux de mélange, entre les membres extrêmes Na-HCO₃ et Na-CI. Les analyses hydrochimiques ont servi, entre autres, à vérifier la plausibilité de certaines hypothèses de base de la modélisation (distribution des perméabilités, valeurs de porosité, coefficient d'emmagasinement). Cette comparaison a démontré que les paramètres utilisés sont compatibles avec les observations hydrochimiques. La vérification des hypothèses de travail à l'aide d'autres observations indépendantes (conditions restrictives sur la base des scénarios de développement de la zone de pressions anormales) est arrivée à la même conclusion.

L'analyse et l'interprétation définitive de l'ensemble des données géologiques recueillies sur ce site permettent de confirmer et d'affiner la plupart des résultats obtenus préalablement. Grâce à l'amélioration de la base de données et grâce aussi à une meilleure méthodologie de modélisation et de synthèse des données, des hypothèses ultra-conservatives (pessimistes) ont pu être remplacées, dans certains domaines, par des hypothèses réalistes, permettant ainsi de construire une image plus affinée et plus plausible du site.