Technical Report NTB 90-49

Joint seismic, hydrogeological and geomechanical investigations of a fracture zone in the Grimsel Rock Laboatory, Switzerland

Résumé

Dans le cadre d'un accord conclu entre le «Department of Energy» (DOE) des Etats Unis d'Amérique et la "Société coopérative nationale pour l'entreposage de déchets radioactifs (Nagra)" suisse, des expériences ont été réalisées entre 1987 et 1989 en vue d'étudier l'effet de fractures dans la roche sur le stockage final de déchets radioactifs. Une partie de ce travail de coopération a consisté à réaliser des essais de terrain et en laboratoire dans une zone contrôlée du laboratoire souterrain de la Nagra au Grimsel en Suisse. L'objectif principal de ces expériences, dans un massif de granite fracturé, était de déterminer la nature fondamentale de la propagation d'ondes sismiques dans un milieu fracturé et de tirer des relations entre les paramètres sismiques et les paramètres hydrogéologiques. L'ultime objectif de ces travaux est l'étude et la caractérisation de sites souterrains pour le stockage de déchets radioactifs. Des signaux de haute fréquence (1'000 à 10'000 Hz) ont été utilisés dans une configuration d'essais entre forages à des échelles de plusieurs dizaines de mètres. Des images tomographiques des fractures et structures géologiques d'une zone de 10 mètres par 21 mètres, délimitée par deux forages presque horizontaux et deux galeries, ont été élaborées par l'exploitation de plus de 60'000 trajets d'ondes. Une zone fracturée majeure traversait la région étudiée et constituait la cible de ces investigations. En sus de ces expériences sismiques, des essais en laboratoire sur des carottes prélevées dans cette zone ont permis l'étude des relations entre la saturation en eau et le remplissage des fractures d'une part, et la vitesse et l'amortissement sismique d'autre part. Des essais géotechniques et hydrologiques in-situ ont été réalisés afin de déterminer la rigidité mécanique et la conductivité hydraulique des fractures. Les résultats démontrent qu'il est possible d'utiliser aussi bien des ondes P que S pour cartographier les fractures naturelles et celles résultant de travaux d'excavation. Il apparaît en outre que pour des fréquences se situant aux alentours de plusieurs kilohertz, les mesures d'amortissement sont plus utiles que les mesures de vitesse. A fréquences inférieures il semble que c'est le contraire. De plus les fractures ouvertes et perméables sont bien plus visibles pour les ondes sismiques que les fractures étanches.

Technical Report NTB 90-48

STRENG: A source-term model for vitrified high-level waste

Résumé

Un modèle de conditions de source STRENG a été élaboré pour analyser le relâchement diffusif des radionucléides de déchets de haute radioactivité (DHA) vitrifiés placés dans un dépôt final, de géométrie cylindrique. Le modèle comprend la dissolution de la matrice de déchets vitrifiés, le transport diffusif des radionucléides à travers le tampon de bentonite, les effets des limites de solubilité ainsi que la désintégration des radionucléides et de leurs produits de filiation.

Les paramètres suivants sont requis comme données d'entrée:

A partir de ces données le modèle produit les résultats suivants:

Technischer Bericht NTB 90-47

Wellenberg
Arbeitsprogramm
Teil 2 für Untersuchungen in den Sondierbohrungen SB 6 und SB 2

Résumé

Im hier vorliegenden Arbeitsprogramm werden die geplanten Untersuchungen in den Sondierbohrungen SB2 und SB6 vorgestellt. Besonderes Augenmerk gilt der Darlegung des Untersuchungsumfanges; hinsichtlich der Methodik wird auf NTB 89-12 (Wellenberg Arbeitsprogramm Teil 1 für Untersuchungen von der Erdoberfläche aus und Sondierbohrungen SB1, 3 und 4) verwiesen.

Das erste Kapitel des Arbeitsprogramms behandelt die grundsätzlichen Aspekte des Untersuchungsvorhabens, in Kapitel 2 werden die Untersuchungsziele definiert.

In Kapitel 3 wird der geplante Untersuchungsumfang pro Sondierbohrung quantifiziert. Hierbei gewähren die Ablaufpläne (Arbeitsschritte) sowie Datenblätter einen informativen Überblick über die operationellen Arbeiten in den Sondierbohrungen SB2 und SB6.

Schliesslich folgen in den Kapiteln 5, 6 und 7 Erläuterungen zur Berichterstattung, Logistik, Terminplanung und Projektorganisation.

Für Planung, Vorbereitung und Ausführung der operationellen Arbeiten wurde Nagra-intern ein Projektteam zusammengestellt, welches auch das vorliegende Arbeitsprogramm erarbeitet hat.

Technischer Bericht NTB 90-46

Seismizität der Nordschweiz 1987 – 1989, und Auswertung der Erdbebenserien von Günsberg, Läufelfingen und Zeglingen

Résumé

Dans le cadre du programme de recherche néotectonique de la Nagra, le Service sismologique Suisse conduit depuis 1983 une étude détaillée de la sismicité du nord de la Suisse. Le présent rapport constitue un second bilan intermédiaire d'une recherche encore en cours, et comprend notamment les résultats de la période 1987 – 1989.

L'activité sismique dans le nord de la Suisse est généralement faible (Magnitudes < 4.2) et se concentre dans deux zones bien distinctes. La première, située au nord-ouest, constitue la prolongation en dessous du Jura Bâlois et Soleurois de l'activité liée au fossé rhénan et aux failles de la région du Dinkelberg. La deuxième, au nord-est, présente une large bande d'épicentres s'étendant du nord-ouest du Lac de Constance à la région de l'Albis et recoupant la Vallée de la Töss. Plus vers l'est on remarque une certaine concentration d'activité au nord du massif de l'Alpstein. Par contre l'activité sismique de la partie centrale du nord de la Suisse est limitée seulement à quelques tremblements de faibles magnitudes.

Contrairement aux Alpes, où les foyers sont limités à la croûte supérieure, et contrairement à tous les modèles habituels du comportement rhéologique de la croûte terrestre, la profondeur des foyers dans la zone étudiée atteint la limite croûte­manteau.

A l'aide de deux séries de tremblements de terre situées en dessous des Juras Bâlois et Soleurois il a été possible de démontrer pour la première fois l'existence, dans le socle cristallin, aussi bien de failles senestres, actives, orientées N-S que de failles dextres orientées ONO-ESE. Ces deux mécanismes sont en accord avec les directions de compression et d'extension maximales généralement connues dans la région et dirigées NNO-SSE et OSO-ENE respectivement. En plus, il est remarquable que de l'analyse de tous les mécanismes focaux disponibles il n'apparaisse pas des failles potentielles orientées entre 40 et 90 degrés N.

L'augmentation de la densité des stations sismiques dans la partie centrale du nord de la Suisse n'a pas seulement permit une meilleure détection et une localisation plus précise des séismes de faibles magnitudes, mais a aussi livré des nouvelles informations sur la rhéologie de la croûte terrestre ainsi que sur les mécanismes au foyer et sur l'orientation des failles actives dans le soubassement cristallin. Par contre, dans les parties ouest et est de la zone étudiée, en raison du petit nombre de stations, il n'est possible de donner des indications détaillées sur la profondeur des foyers et sur les mécanismes focaux que pour les événements les plus forts.

Technical Report NTB 90-44

Stripa Project
Prediction of inflow into the D-holes at the Stripa mine

Résumé

Dans le cadre du projet de caractérisation et validation réalisé durant la phase 3 du Projet Stripa, on a modélisé la circulation de l'eau dans un réseau à trois dimensions d'un nombre discret de fractures afin de pronostiquer le débit dans un ensemble de forages parallèles. Ces arrivées d'eau ont été prédites sur la base de statistiques des fractures établies sur la base de données provenant de la caractérisation géologique, géophysique et hydrogéologique du site. Les fractures isolées ont été traitées en tant qu'éléments probabilistiques (au hasard), alors que les zones importantes de fractures identifiées par des mesures géophysiques ont été traitées en tant que zones situées en des endroits bien déterminés présentant une intensité relativement élevée de fractures. Les prédictions de débits ont été élaborées en générant de nombreuses populations de fractures par la méthode de Monte Carlo et en résolvant les équations de circulation d'eau pour chaque population en utilisant la méthode des éléments finis. Les prédictions qui en résultent sont présentées sous la forme de probabilités de distribution des débits. La valeur la plus probable prédite pour l'arrivée d'eau totale dans les forages est de 90 litres/heure, avec un niveau de confiance de 90 % s'étendant entre 30 et 5700 litres/heure.

Technical Report NTB 90-43

Stripa Project
Site characterization and validation borehole radar investigations, Stage III

Résumé

Le programme de recherche par radar en trou de forage de la phase III sur le site SCV comprenait des mesures de réflexion à partir de forages uniques, avec des fréquences centrales de 22 et 60 MHz. De telles mesures ont été réalisées avec des antennes tous azimuts ainsi qu'avec des antennes directionnelles dans les forages C1, C2, C3 et D (D1 – D6). Des tomographies entre forages ainsi que des mesures par réflexion entre forages ont été réalisées entre les forages C1 – C2, W1 – C1 et W1 – C2. La portée obtenue lors des mesures par réflexion en forage unique a été de 100 m approximativement pour la fréquence la plus basse (22 MHz) et de 60 – 70 m pour la fréquence centrale de 60 MHz. Pour les mesures entre forages des distances de 20 à 120 m entre émetteur et récepteur ont été utilisées.

Les investigations par radar de la phase III ont pour l'essentiel confirmé la description spatiale des structures du site SCV. Le modèle conceptuel du site, élaboré sur la base des données obtenues lors de la phase l, comprenait trois zones majeures (GA, GB et GH), deux zones mineures (GC et GI) et un élément circulaire (RQ). Les éléments majeurs sont considérés comme les plus significatifs du site et ont tous été observés à proximité des locations prédites par les forages de la phase III. L'élément circulaire a lui aussi été trouvé par deux des tomogrammes additionnels à l'endroit prédit. RQ est identifié comme un élément annulaire par le tomogramme d'atténuation et comme une anomalie ponctuelle unique par le tomogramme de ralentissement.

Les résultats montrent que les zones ne sont pas homogènes mais qu'elles sont au contraire très irrégulières, présentant des parties fortement fracturées et d'autres dont le contraste avec les roches environnantes est très faible. Les zones, à l'échelle du site du moins, apparaissent comme approximativement planes. A plus faible échelle ces zones peuvent apparaître comme très irrégulières.

Technical Report NTB 90-42

The application of moment methods to the analysis of fluid electrical conductivity logs in boretoles

Résumé

Ce rapport décrit de nouvelles méthodes analytiques pour l'analyse quantitative de logs de conductivité électrique obtenus par diagraphie dans des forages en régime dynamique ("pumped wellhead conditions"). Les méthodes améliorent et complètent efficacement une procédure de test et une méthode de simulation par ajustement optimal présentée par Tsang et al. (1990). Les procédures de test et d'analyse permettent une localisation exacte (± 1 m) de toutes les fractures présentant un débit qui sont intersectées par le forage, ainsi que le calcul de la transmissivité (et du potentiel) des fractures individuelles.

Les trois méthodologies présentées sont basées sur l'approche classique des moments qui est améliorée afin de permettre l'analyse quantitative de l'interférence des débits de multiple fractures dans le forage.

La section 1 est une discussion générale de la procédure de test et des équations utilisées pour l'analyse. Les relations du moment d'ordre 0 et du moment d'ordre 1 du débit d'une fracture dans un forage pendant le pompage sont obtenues. Celles-ci sont liées aux débits volumétriques totaux dus puits au-dessous et en-dessus d'une zone présentant des débits dus à des fractures (section 2). Ces paramètres peuvent être utilisés directement pour évaluer le débit volumétrique et la concentration électrolytique du fluide de toutes les fractures qui n'interfèrent pas entre elles.

Les sections 3 et 4 présentent de nouvelles approches analytiques pour l'analyse des pics qui interfèrent entre eux. La méthode du moment partiel (section 3) est basée sur des quantités intégrales avec une structure similaire à celle des moments classiques. Par contre la mesure est effectuée entre deux pics successifs et non pas par pic considéré individuellement. La seule hypothèse faite dans le développement des équations fondamental es est celle d'un transport électrolytique uni-dimensionnel advectif et dispersif à vitesse constante v et dispersivité k à l'intérieur de petits intervalles entre les fractures. La méthode permet théoriquement une détermination indépendante de v et de k à l'intérieur de n'importe quel intervalle de la section examinée et ceci quel que soit le temps, t, pendant la diagraphie. Impliquant que la méthode s'applique également lorsque le débit et la concentration du fluide de la fracture varient simultanément avec le temps. Les limites de la méthode du moment partiel sont principalement dues à des instabilités numériques qui apparaissent lorsque les temps deviennent élevés.

La méthode intégrale directe (section 4) se base sur une approximation de la conservation de la masse prenant en compte l'information du moment d'ordre 0 lors de la phase initiale de la mesure. Le transport électrolytique est simplifié par rapport à l'équation mentionnée précédemment, car seul le transport advectif est considéré aux emplacements où la vitesse est estimée dans le forage.

Dans la section 5 les trois méthodes sont appliquées à des cas d'études synthétiques générés par un simulateur de transport advectif et dispersif à une dimension (BORE). Deux types de cas d'études différents sont considérés qui présentent des caractéristiques similaires à celles des données mesurées dans le forage profond de Leuggern effectué dans le nord de la Suisse. Les pics conducteurs du cas d'étude l, très espacés, présentent peu d'interférences. Le cas d'étude II, dont les fractures conductrices sont peu espacées, se caractérise par de fortes interférences. Une comparaison de la sensitivité des différentes méthodes est présentée. Les méthodes sont capables de reproduire les données avec une erreur inférieure à 50 % et dans les meilleurs cas l'erreur est de 1 à 2 %. Les données correspondant à des temps faibles fournissent des informations beaucoup plus importantes que celles obtenues à des temps élevés. La durée du test peut être considérablement réduite (de 50 à 100 heures de diagraphie) sans perte d'information significative.

Dans la section 6, les trois méthodes sont appliquées à des données réelles, mesurées en 1987, en provenance du forage profond de Leuggern. La localisation précise de toutes les fractures conductrices rencontrées par le forage est établie. La méthode classique des moments et la méthode intégrale directe peuvent servir de source de données à des simulations et des ajustements avec un simulateur tel que BORE. La méthode du moment partiel est capable de reproduire les débits mesurés dans les fractures du forage de Leuggern, obtenus indépendamment à l'aide de pompages avec packers (la différence maximale entre les deux méthodes est inférieure à 1/2 ordre de grandeur). Cette erreur est du même ordre de grandeur que l'incertitude communément admise pour les tests de pompage avec packer.

Les conséquences pour la planification des mesures sur le terrain et pour l'analyse des résultats sont décrites dans la section 7. Les procédures de mesures devraient tenir compte des besoins des méthodes analytiques présentées. Une procédure d'analyse est développée, qui prend en compte aussi bien les incertitudes conceptuelles que le type (à temps faibles ou élevés) et la qualité des données de conductivité.

Technischer Bericht NTB 90-41

Sedimentäre Architektur der distalen Unteren Süsswassermolasse und ihre Beziehung zur Diagenese und der Petrophysik. Eigenschaften am Beispiel der Bohrungen Langenthal.

Résumé

L'étude sédimentologique d'affleurements et de carrieres dans la partie supérieure de la molasse d'eau douce inférieure ("Aquitan") montrant des dépôts alluviaux distaux a mis en évidence quatre faciès principaux. Ceux-ci ont aussi pu être reconnus dans des forages (Langenthal, Weiach, Schafisheim) traversant les niveaux continentaux. Ces faciès rassemblent des corps sédimentaires différents (éléments architecturaux) qui peuvent être caractérisés par leurs géométries et leurs propriétés pétrographiques et pétrophysiques: granulométrie, composition minéralogique, porosité (P) et perméabilité (k).

Chaque élément architectural peut-être rapporté à un type de dépôts particulier: lits des méandres RG, dépôts de crevasse et chenal de crevasse DFR, levée naturelle et crevasse distale UW, dépôt d'inondation, de paléosol et de marais UPS ainsi que dépôt lacustre LAK. Les éléments architecturaux individuels montrent de fortes hétérogénéités résultant de différences sédimentologiques originelles (en particulier le tri hydrodynamique) et de modifications diagénétiques (notamment par des cimentations différentes).

Dans la molasse d'eau douce inférieure distale, les grès des lits des méandres reflètent la présence de deux types de chenaux avec un trans­port mixte des sédiments. Ceux présentant des lits de sédiments plus importants sont dominants dans la molasse d'eau douce inférieure, produisant des corps gréseux étendus latéralement et continus longitu­dinalement de 150 à 1500m de largeur. Plus rarement des chenaux avec un taux de matériaux en suspension plus élevé déposent des amalgames complexes de corps gréseux de 40 à 100m de large, généralement en contact érosif les uns avec les autres.

Les modélisations architecturales permettent de considérer la molasse d'eau douce distale comme une structure sableuse comprenant: les corps gréseux de chenaux chacun en contact avec leurs cônes de débordement latéral et grès de chenaux de débordement associés (porosité médiane 13.1% (RG) et 8.6% (DFR), perméabilité médiane 486md (RG) et 5md (DFR)); et une matrice argilo-silteuse constituée de dépôts de réseaux de débordements interstratifiés (pratiquement sans porosité mesurable et une perméabilité très diminuée). L'importance, anormale, de la fraction argileuse des unités gréseuses reflète principalement le taux élevé d'argiles présent dans les fragments de roches incorporées.

La comparaison avec la morphologie des systèmes fluviatiles actuels suggère que dans la molasse d'eau douce inférieure les corps gréseux de chenaux semblent avoir une plus grande continuité longitudinale, une plus grande largeur et un plus haut degré d' interconnection en amont (c'est-à-dire: dans les régions proximales vers l'ouest et vers la chaîne alpine). Inversement, la porosité et la perméabilité primai­re de dépôts des unités gréseuses semblent diminuer en aval vers une zone plus distale à l'est et en bordure nord du bassin, bien que les différences régionales de style tectonique et de diagenèse doivent aussi exercer un contrôle majeur sur les propriétés pétrophysiques et hydrologiques dans une zone donnée.

Technical Report NTB 90-40

A physico-chemical characterisation technique for determining the pore-water chemistry in argillaceous rocks

Résumé

Une condition préalable pour effectuer des expériences de sorption fiables est de pouvoir définir la composition chimique d'une eau qui soit en équilibre avec la phase solide. On décrit ici des méthodes expérimentales et des procédures d'analyse des données par lesquelles on peut générer une composition d'eau en équilibre avec des roches argileuses, qui ne dépend pas du rapport liquide/solide (L:S). Puisque la Nagra considère une marne valanginienne comme roche d'accueil potentielle d'un dépôt final pour déchets de faible et moyenne activité, on a choisi des échantillons de ce matériau pour cette étude.

Des expériences, sous atmosphère contrôlée (P_CO2 = 10^-2 bar, O₂ ≤ 5 ppm), en utilisant de l'eau distillée et de l'éthyle diamine de nickel comme extractant ont été effectuées avec de différents rapports L:S. Les résultats précédents, ainsi que ceux obtenus par l'analyse pétrographique ont permis de caractériser l'argile (CEC et occupation cationique) et d'autres composants, notamment les phases à haute et basse solubilité. Le programme géochimique PHREEQE couplé aux équations de Gapon a été utilisé pour calculer la composition de l'eau interstitielle.

Cette étude a clairement montrée que la chimie des eaux interstitielles, lorsqu'elle est obtenue au moyen d'extraction en utilisant de l'eau distillée peut mener à une composition arbitraire de la phase liquide, particulièrement en ce qui concerne la composition chimique et la force ionique. Cela peut avoir des conséquences importantes pour les études de spéciation et de sorption des radionucléides sur ce type de roches.

Technical Report NTB 90-39

Grimsel Test Site
The Grimsel Migration Experiment:
A hydrogeochemical equilibrium test

Résumé

Un essai de migration par injection continue a été effectué au laboratoire souterrain du Grimsel (LSG) dans la fissure AU 96. Pour l'injection, une eau étrangère (eau EM), qui est chimiquement différente de l'eau interstitielle (eau MI) a été utilisée. Un champ dipolaire a été établi entre deux puits de forage dans la zone de migration, c'est-à-dire entre le forage d'injection (BOMI 86.004) et le forage d'extraction (BOMI 87.006).

Un des buts principaux de ce test d'équilibre hydrogéochimique était d'observer le comportement de ce système après l'injection d'une eau «étrangère», et de déterminer le temps nécessaire pour établir conditions stationnaires dans la zone de migration.

En total, 22 échantillons d'eau ont été prélevés dans le forage d'extraction et analysés en laboratoire. Cet essai fait parti des préparatifs nécessaires pour les essais futurs sur la migration des radionucléides dans la roche cristalline, car il n'est pas sur si l'eau de migration naturelle peut garantir un flux constant et suffisant dans certains expérimentes à long terme.

Les résultats de l'essai d'équilibration hydrogéochimique ont clairement montré que des anions comme F^-, CI^- atteignent des concentrations stationnaires dans le puits d'extraction après environ 50 heures. Par contre, les concentrations des cations majeurs, Na⁺ et Ca²⁺ deviennent stationnaires après ~ 150 heures. La retardation des cations Sr²⁺, K⁺ et Mg²⁺ est encore plus forte. Sr²⁺ ne parvient a l'équilibre qu'après environ 250 heures tandis que les concentrations de K⁺ et Mg²⁺ étaient toujours en légère augmentation après la conclusion de l'expérience (après ~ 312 heures). La conclusion à tirer est que l'on ne peut pas utiliser une eau «étrangère» comme eau de source pour l'injection des traceurs sorbents dans les essais de migration LSG.

Les résultats sont ensuite analysés et interprétés tenant compte que le remplissage de la faille se comporte comme un faible échangeur de cations, qui est responsable pour des changements chimiques dans l'eau d'extraction en addition des changements qui résultent de mélangement avec l'eau étrangère.

D'après les mesures de concentration en fonction du temps au forage d'extraction, on a déduit des courbes de différence qui représentent l'interaction de l'eau étrangère avec le remplissage de la fissure. Les résultats, avec des coefficients de sélectivité et des hypothèses sur la géométrie de la faille, ont permis d'estimer la capacité d'échange cationique (CEC) du remplissage minéral de la faille de migration. En utilisant la CEC estimée, les constantes de distribution (K_d) pour Na⁺ et Sr²⁺ ont étées prédites.

Les propriétés de sorption de Na⁺ et Sr²⁺ sont importantes pour le programme réalisé dans le laboratoire souterrain de la Nagra/PSI au Grimsel, puisque ces deux traceurs sont utilisés dans des essais sur la migration des radionucléides en 1990/1991.

Technischer Bericht NTB 90-38

Sondierbohrung Siblingen
Bau- und Umweltaspekte, Bohrtechnik

Résumé

La Nagra (Société coopérative nationale pour l'entreposage de déchets radioactifs) a entrepris en 1980 un vaste programme d'investigations géologiques dans une zone d'environ 1200 km² dans le nord de la Suisse. L'objectif de ce projet était d'acquérir les connaissances nécessaires dans le domaine des sciences de la terre pour évaluer l'aptitude du sous-sol paléozoïque à accueillir un dépôt final pour déchets de haute radioactivité.

Les investigations comprenaient un programme de forages profonds, une étude des structures rocheuses par méthodes géophysiques de surface, un programme de recherches hydrogéologiques pour déterminer les voies de circulation dans le sous-sol profond ainsi qu'un programme d'études néotectoniques pour identifier les mouvements de la croûte terrestre dans la zone étudiée.

La situation géologique du socle rocheux et de sa couverture sédimentaire allait être étudiée à l'aide de forages profonds. Ceux-ci devaient en outre livrer les données hydrodynamiques et géochimiques dans un cadre régional étendu qui permettraient d'élaborer un modèle mathématique de la situation hydrogéologique de la zone située entre le flanc nord des Alpes de la Suisse centrale et orientale et le massif de la Forêt Noire.

Le forage de Siblingen est situé à environ 1.5 km au nord-ouest de la limite du village du même nom dans le canton de Schaffhouse, sur la hauteur de Siblingen dans le Jura tabulaire. Il représentait le septième et dernier forage de la phase 1 du programme d'exploration Nord-Suisse. Le forage a atteint une profondeur de 1522.0 m.

Après une procédure d'autorisation de plusieurs années qui est montée jusqu'au Tribunal fédéral, les travaux de préparation du site de forage ont pu commencer le 16 mai 1988 et les opérations de forage ont débuté le 1 septembre 1988. Après terminaison des travaux de forage le 3 avril 1989 une phase d'essais s'est étendue jusqu'au 30 avril 1989.

Les travaux d'aménagement du site de forage ont pu se dérouler dans les délais prévus. Les études préalables du sol ne servirent pas seulement à établir les plans de terrassement définitifs mais encore à compléter ultérieurement le réseau de drainage existant lors de la remise en état des lieux. Le potentiel d'exploitation agricole de la parcelle a ainsi pu être amélioré et ses possibilités de rendement n'ont pas été altérées.

Il s'est malheureusement produit un accident de travail sur le site de forage après la fin de la phase d'exécution. L'un de deux monteurs de l'EKS, qui était occupé au démontage du raccordement électrique de son entreprise, fut mortellement électrocuté. La cause de cet accident fut le non-respect des consignes de sécurité en matière de travaux électrotechniques.

La protection des eaux souterraines était assurée par une couverture d'asphalte sur tout le site de forage et un système adéquat d'évacuation des eaux ainsi que par l'ancrage étanche du tube guide à la roche environnante et à la chambre de forage. L'efficacité de ce dispositif a été contrôlée dans le cadre d'un programme de surveillance des eaux souterraines établi en collaboration avec le Service de protection des eaux du Canton de Schaffhouse. On n'a pas pu constater d'influence des travaux de forage sur les captages d'eau souterraine.

Malgré la distance relativement grande séparant le site de forage de la limite du village de Siblingen, on a vérifié la situation phonique par des mesures de contrôle effectuées vers une ferme isolée voisine ainsi que dans le quartier d'habitation le plus proche. Les résultats ont démontré que personne, à quelque moment que cela fut, n'a pu être dérangé par le bruit émanant du site de forage.

L'évacuation de tous les déchets liquides et solides a été faite selon un concept élaboré en collaboration avec le Département des travaux publics du Canton de Schaffhouse et approuvé par lui. Ce concept s'est révélé adéquat et n'a pas donné lieu à la moindre réclamation de la part des instances concernées.

Le trafic des camions a été enregistré durant toute la durée d'exploitation: il s'est élevé à moins de 20 courses par semaine ce qui constitue un impact fort modeste. Des fréquences plus élevées, non-enregistrées, ont eu lieu durant des laps de temps beaucoup plus courts durant l'aménagement du site et sa remise en état.

Un programme de recherches scientifiques rigoureux, utilisant partiellement des méthodes non-conventionnelles, a été réalisé dans le forage de Siblingen. Comme il avait été convenu que les investigations se limiteraient aux questions directement liées à la zone de stockage final, un nouveau concept de forage a été utilisé, caractérisé par une forte réduction du diamètre de forage dans le cristallin, représentant une synthèse rationnelle entre les méthodes d'exploration minière et la technique de forage en profondeur. Cela a permis de réaliser une campagne de forage optimale sur le plan écologique tout en maintenant les exigences relatives à l'acquisition des informations scientifiques et à leur qualité, réduisant en outre les risques techniques.

Le forage a traversé des sédiments jurassiques et triassiques. Le cristallin a été atteint à une profondeur de 348.6 m et foré jusqu'à 1522.0 m.

Le forage a été carotté sur toute sa longueur par la technique du carottage à câble. C'est la première fois que lion a utilisé une foreuse hydraulique, avec un «top drive» de type Wirth B8A, dans le cadre du programme de forages profonds. L'agrégat hydraulique était entraîné par un moteur électrique qui pouvait être alimenté soit directement par le réseau ou par un groupe Diesel protégé par un capot d'insonorisation mis au point par nos soins.

Les sédiments, ainsi que la partie supérieure du cristallin, ont été forés avec un outillage de carottage de 6 ¼" × 4" et des tringles de carottage par câble spéciales de 5 1/2". A partir de 490.9 m et jusqu'à la profondeur finale, on a utilisé des trépans de 96 × 57 mm avec un équipement de carottage par câble de 3 1/211.

En plus du tube-guide et d'un tubage d'ancrage de 9 5/8" jusqu'à 171.9 m, on a introduit un tubage intermédiaire de 7" dans la calcaire coquillier vers 338 m et un tubage final de 5" dans la zone supérieure du cristallin vers 490.4 m, pour des raisons de technique de forage et d'investigation. A l'exception du tubage de 5" qui a été partiellement retiré à l'issue des travaux de forage, tous les autres ont été cimentés.

Il a fallu plusieurs fois prendre des mesures d'étanchement du puits de forage en raison de pertes de fluide de rinçage, partiellement totales, dans la zone sédimentaire déjà où l'on utilisait un rinçage conventionnel avec de l'eau douce argileuse, en raison de zones rocheuses fortement diaclasées avec des pressions sous-hydrostatiques.

Sur le tronçon cristallin de 1173.4 m on a traversé un granite leucocrate à biotite cordiérite sous contraintes tectoniques changeantes. Celui-ci apparaissait tantôt sous forme d'une roche granitique fraiche et massive, tantôt en tronçons fortement diaclasés, de caractère hydrothermal et traversé de zones de cisaillement.

Les structures et textures variables ainsi que le caractère abrupt de diaclases ont posé de difficiles problèmes pour le développement et le choix des outillages de carottage.

Le gradient de pression sous-hydrostatique conjugué avec l'utilisation d'eau de rinçage claire sans additifs de forage ont causé des difficultés. De nombreuses mesures d'assainissement, sous forme de recimentations et d'étanchements, ont été nécessaires en raison de pertes totales de fluide de rinçage et d'instabilités du puits de forage.

En raison des difficiles conditions de forage il n'a souvent pas été possible d'utiliser les outillages dans leurs paramètres optimaux et les nombreuses diaclases du massif ont réduit la longueur moyenne des carottes, limitant ainsi leur bénéfice maximal.

Le forage a néanmoins pu être réalisé avec un excellent succès technique et de façon économique. On n'a pas subi d'havaries significatives ou dû entreprendre de travaux spéciaux importants. Tous les taux d'efficacité de forage ont pu être améliorés de façon significative par rapport à ceux réalisés précédemment dans le cristallin, tout en réduisant les coûts de façon considérable.

Les investigations scientifiques dans la couverture sédimentaire ont pu se dérouler selon le programme. Les difficultés rencontrées dans le cristallin ont maintes fois nécessité une adaptation du programme et l'engagement des moyens plus importants pour la caractérisation hydraulique du massif. En contre-partie la phase finale d'essais a pu être fortement raccourcie.

Le programme scientifique a pu être totalement réalisé avec succès.

L'ensemble des travaux sur le site de Siblingen fut accompagné par la Commission de surveillance, composée de représentants de la commune de Siblingen, du canton de Schaffhausen et de la Confédération.

Dans son rapport au Conseil fédéral, la commission de surveillance atteste que la Nagra s'est tenu aux prescriptions en vigueur pour tous les travaux entrepris.

Technischer Bericht NTB 90-37

Zur Chemie von Kolloiden
Verfügbare Sorptionsmodelle und zur Frage der Kolloidhaftung

Résumé

Lors de l'analyse de sûreté d'un dépôt final pour déchets radioactifs, il est nécessaire d'aborder la question d'un éventuel transport de radionucléides par des colloïdes. A cet effet il est notamment nécessaire de décrire le comportement des colloïdes en ce qui concerne leurs propriétés de sorption et de transport dans des milieux poreux et fissurés. Ce rapport aborde certains aspects chimiques de ce domaine complexe.

Du fait que les mécanismes d'adsorption d'ions sur des surfaces dépendent de la nature de ces dernières, il y a lieu de porter davantage d'attention à l'appartenance matérielle des colloïdes aquatiques. On dispose de modèles décrivant l'adsorption réversible par les diverses classes de colloïdes de manière satisfaisante à l'aide de relations basées sur les lois d'action de masse. Le modèle de coordination de surface, développé pour les surfaces oxydiques, permet une approche unitaire des diverses classes de substances. Ce modèle permet en outre de faire des prédictions et a été appliqué avec succès à des systèmes naturels.

Lors du transport des nucléides par des colloïdes, l'adsorption irréversible représente le cas le plus défavorable. On ne dispose guère de données relatives au degré de réversibilité et à la cinétique de désorption des combinaisons nucléides/colloïdes importantes. Des études expérimentales sont par conséquent indispensables.

Dans le cadre du thème sur le transport des colloïdes et sa modélisation, seul la question de l'adhérence des colloïdes est traitée. Les colloïdes naturels, ainsi que les surfaces d'adhérence des roches, présentent de façon générale des charges superficielles négatives, ce qui rend difficile leur adhérence mutueIle. La théorie DLVO propose une méthode pour le calcul de la probabilité d'adhérence à partir des potentiels superficiels des phases solides et de la force ionique de l'eau. Il s'avère toutefois que cette méthode, en raison de faiblesses inhérentes, conduit à des pronostics totalement irréalistes et n'est par conséquent pas applicable. Les probabilités d’adhérence doivent être déterminées expérimentalement sur des systèmes proches de la réalité.

Technical Report NTB 90-36

On the problem of silicia solubility at high pH

Résumé

Le système Na₂O-H₂O-SiO₂ joue un rôle important lorsque les eaux des pores fortement alcalines du ciment utilisé pour le stockage des déchets faiblement radioactifs pénétrent la roche environnante du stockage final. Dans de telles conditions, des quantités inconnues de silice peuvent se dissoudre. Afin d'étudier la solubilité de la silice et du quartz en fonction du pH, la variation d'un paramètre en utilisant le code géochimique (MINEQL/EIR) a été examiné. Les valeurs de la solubilité de la silice dans une solution d'hydroxyde de sodium à 25 et 90°C publiées dans la literature furent ensuite comparées aux résultats obtenus à partir de quatre modèles en utilisent différentes valeurs de constantes d'équilibre. L'intérèt principal était la question de savoir si la solubilité de la silice dans un environnement de pH élevé peut être expliquée par la présence unique des species différentes monomériques ou si des species polymériques additionnelles furent consideré. L'influence de la formation. de la paire ionique silice-sodium dans ces conditions extrêmes a également étudié.

La solubilité de la silice amorphe à 25°C est bien comprise jusqu'à un pH d'environ 10.5. Elle est déterminée par le produit de solubilité et la première constante de dissociation de l'acide silicique monomérique. En millieu plus alcalins, la solubilité totale augmente fortement. Cette propriété est moins bien comprise car les constantes de la seconde déprotonation et de polymérisation sont incertaines. En dépit de ces incertitudes, il a été démontré que la cause la plus probable de l'augmentation de la solubilité des silices amorphes lorsque l'on considère des valeurs pH comprises entre 10.5 et 11.3 est due à la formation de polymères dimériques, trimériques et tétramériques. Cependant, lorsque la concentration de silice totale est inférieure à 0.01 M et le pH ≤ 10.0, la polymérisation semble être insignifiante.

La solubilité du quartz n'a pas seulement été étudiée à basse température en utilisant de la silice amorphe mais aussi dans des solutions contenant du NaOH à 90°C. A coté des études de la silice amorphe à basse température, la solubilité du quartz à 90°C dans des solutions contenant du NaOH a été mesuré. Les valeurs de la seconde constante de dissociation à 90°C obtenues sont fortement disparates, comme ce fut le cas pour ces valeurs reportées à basses températures. Quoiqu'il ne fut pas possible d'extraire la valeur de la seconde constante de dissociation à partir de quelques données analytiques, lorsque la concentration de soude caustique n'excéde pas 0.1 M, seules les silices monomériques sont stables. Par conséquent, la tendance que des monomères forme de polymères décroît fortement avec la température. Il y a de surcroît que dans les solutions de NaOH concentrées à températures élevées, les complexes de paires ioniques silice-sodium gagnent en importance.

Technical Report NTB 90-35

Stripa Project
Annual Report 1989

Résumé

Le projet de Stripa est un projet de l'Agence de l'OCDE pour l'Energie Nucléaire. C'est dans le cadre d'une troisième phase de ce projet allant de 1986 à 1991, que des travaux de recherches sont réalisés avec une participation internationale, dans un laboratoire souterrain de Suède. Il s'agit d'effectuer les travaux ci-dessous, en mettant en application ce que l'on a appris au cours des précédentes phases 1 et 2:

Technischer Bericht NTB 90-34

Sondierbohrung Siblingen
Untersuchungsbericht

Résumé

La Cédra (Société coopérative nationale pour l'entreposage des déchets radioactifs) a entrepris en 1980 un important programme d'investigations géologiques sur une aire d'environ 1'200 km² dans le nord de la Suisse. Ce programme doit permettre de définir si le sous-sol est approprié à l'entreposage définitif de déchets hautement radioactifs. Les diverses investigations peuvent se répartir en un programme de forages profonds, une reconnaissance géophysique de la nature et de la structure régionale des roches, un programme d'études hydrogéologiques axé sur la compréhension des écoulements souterrains dans le sous-sol profond, et un programme d'études néotectoniques destiné à la reconnaissance de mouvements encore actifs de la croûte terrestre dans la région d'investigation.

Le forage de Siblingen est le septième des forages de reconnaissance profonds du programme. Il se trouve sur le territoire de la commune de Siblingen, dans le canton de Schaffhouse, à environ 1.5 km au nord-ouest de l'orée du village de Siblingen (coord. 680.090./286.693; alt. 574.35 m s.m.). Le forage atteint une profondeur de 1'522 m.

Le forage de Siblingen a permis la reconnaissance de la couverture sédimentaire et d'une tranche d'environ 1000 m du socle cristallin. Des investigations très poussées ont été menées dans le forage, sur les carottes et sur les échantillons d'eau prélevés. Les méthodologies les plus modernes ont été appliquées pour caractériser au mieux les paramètres géologiques et hydrogéologiques du sous-sol profond.

Les travaux de forage ont commencé le premier septembre 1988 et se sont poursuivis jusqu'au 2 avril 1989, avec plusieurs interruptions destinées aux études scientifiques. Ces études, notamment des tests hydrauliques, se sont poursuivies durant tout le mois d'avril 1989. On a renoncé à installer dans le forage un système à obturateurs multiples pour l'observation des niveaux piézométriques à long terme, car de nombreuses failles mettaient en communication hydraulique différentes parties du forage. A partir du 17 mai 1989, on observe régulièrement le niveau d'eau dans le forage ouvert. Il correspond à la pression dans la partie non tubée du cristallin (de 490 à 1'522 m). Ce niveau a été légèrement perturbé par des essais complémentaires. Le prélèvement d'échantillons a servi notamment à définir les gradients régionaux à partir des teneurs en traceurs. Au début juin, on a effectué une diagraphie des fluides avec un nouveau type de débitmètre, utilisant une impulsion thermique sur le fluide passant à l'intérieur d'un obturateur (Heat-Pulse-Packer-Flowmeter). Par la suite, des diagraphies de la température et de la conductivité électrique de l'eau ont été effectuées en juillet et octobre 1989, en avril 1990 et en avril 1992. Du 30 janvier au 10 avril 1990, les variations du niveau d'eau ont été mesurées de manière précise par une sonde automatique, en vue de l'étude des marées terrestres. Le programme d'investigations prévu a pu être mené à bien presque en totalité et en grande partie de manière satisfaisante.

Le programme de forage et d'investigations a été établi et conduit par la Cédra, avec la participation de conseillers externes. Plus de 40 instituts universitaires, sociétés de conseils ou de services de Suisse, d'Allemagne, de France, de Grande-Bretagne, des Pays Bas, du Canada et des Etats Unis ont participé à ces travaux, soit au total plus de 150 scientifiques et techniciens.

Le présent rapport résume les principaux résultats du programme de recherches du forage de Siblingen. Les programmes des forages profonds du nord de la Suisse (Böttstein, Weiach, Riniken, Leuggern, Schafisheim, Kaisten et Siblingen) sont traités et documentés de manière similaire, afin de faciliter le transfert et la comparaison des informations. Toutefois, les conclusions finales ne seront tirées que dans le cadre d'un rapport de synthèse. Des rapports détaillés ont été établis pour chacun des domaines d'investigation particuliers traités dans ce rapport (série des rapports techniques NTB de la Cédra, voir l'index en fin de rapport).

Technical Report NTB 90-33

Poços de Caldas Report No. 15
Summary and implications for radioactive waste management

Résumé

Ce rapport présente une vue générale des études effectuées au site d'analogies naturelles de Poços de Caldas. Ces études sont décrites dans les 14 premiers rapports de la présente série.

Dans sa première partie, ce rapport présente un historique du projet, décrit le programme des recherches entreprises sur les sites de Osamu Utsumi et de Morro do Ferro, et résume les principaux résultats des travaux géologiques, hydrologiques et géochimiques.

Ensuite, il passe en revue les quatre sous-projets d'analogies naturelles, à savoir le contrôle de modèles géochimiques sur la solubilité et la spéciation d'éléments trace, l'évaluation de modèles sur le développement et le déplacement de fronts redox, l'examen du rôle joué par des colloïdes naturels comme vecteur de transport d'éléments trace, et le bien-fondé d'une approche par modèles pour la quantification de l'altération hydrothermale et des processus de transport de soluté.

Enfin, le rapport examine les implications directes du projet pour la gestion des déchets radioactifs, et commente quelques voies nouvelles identifiées. Une étude multidisciplinaire d'aussi grande envergure s'est avérée extrêmement utile pour développer des contacts entre spécialistes de différentes disciplines, de manière semblable à ce qui devrait se faire pour la qualification intégrée d'un site. La réalisation itérative des souhaits des modéliseurs et du programme analytique sur le terrain et en laboratoire fut une clé du succès de ce projet et peut servir de guide pour la définition du processus d'évaluation d'un site particulier.

Technical Report NTB 90-32

Poços de Caldas Report No. 14
Geochemical modelling of water-rock interactions at the Osamu Utsumi mine and Morro do Ferro analogue study sites, Poços de Caldas, Brazil

Résumé

On a modélisé des processus géochimiques relatifs aux interactions eau-roche-gaz en utilisant la composition des eaux souterraines, des données minéralogiques, des balances ioniques et des calculs de spéciations, de bilans de masse non­thermodynamiques et de transferts de masse thermodynamiques pour deux sites d'étude d'analogies naturelles proches de Poços de Caldas au Brésil: la mine d'Osamu Utsumi et Morro do Ferro. Le principal type de roches est un complexe alcalin igné, composé de phonolites volcaniques et subvolcaniques altérées hydrothermalement et fortement décomposées par les agents atmosphériques. Cette masse de roche altérée passe d'une latérite en surface à une saprolite et finalement en profondeur à une roche en place non effritée, altérée hydrothermalement. Le site de la mine contient de fortes concentrations d'uranium alors que Morro do Ferro présente d'importantes concentrations de thorium et de terres rares. Les modèles de réactions peuvent reproduire la chimie des eaux et l'occurence de minéraux; ils ont été validés en prédisant la masse des minéraux précipités et le pH de l'eau résultante. Les calculs réalisés à l'aide des modèles peuvent également reproduire le pH et les teneurs enfer des échantillons d'eau lors du dégazage de CO₂ et l'oxydation du fer (II) par exposition à l'air. Les résultats des modèles de réactions géochimiques révèlent que les processus dominants sont la production de CO₂ dans le sol par décomposition aérobique de matières organiques, la dissolution de fluorite, de calcite, de feldspath potassique, d'albite, d'oxydes de manganèse, l'oxydation de pyrite et de sphalérite et la précipitation d'oxydes ferriques, de silice et de kaolinite. Les eaux d'infiltration sont sous-saturées en barite et les eaux résurgentes ainsi que les eaux souterraines profondes sont saturées ou sursaturées en barite, démontrant un important mécanisme de contrôle de l'équilibre des solubilités. Des données isotopiques pour le strontium démontrent que des sources autres que les minéraux calciques sont nécessaires pour expliquer la quantité de strontium dissous dans les eaux souterraines, comme les feldspaths potassiques, les argiles à couches alternées smectite-chlorite et les goyazites.

Technical Report NTB 90-31

Poços de Caldas Report No. 13
Near-field high-temperature transport: Evidence from the genesis of the Osamu Utsumi uranium mine, Poços de Caldas alkaline complex, Brazil

Résumé

Les altérations chimiques, isotopiques et minéralogiques qui se sont produites lors du dépôt primaire de minerais d'uranium dans la brèche de cheminée de la mine d'Osamu Utsumi, à Poços de Caldas au Brésil, ont été étudiées à titre d'analogies naturelles pour la migration de radionucléides dans le champ proche. Des modèles d'altérations chimiques et isotopiques ont été combinés avec des modèles à différences finies du refroidissement par convection des intrusions dans la caldera. La modélisation montre que l'intense altération chimique, isotopique et minérale de la cheminée d'Osamu Utsumi nécessiterait la circulation de > 10⁵ kg de fluide hydrothermal bouillant à > 220°C au travers de chaque cm carré de section de cheminée. Cette circulation pourrait être engendrée par la chaleur provenant d'une intrusion de 6 km de diamètre s'étendant à une profondeur de 10 km. Même avec une telle circulation, concentrée dans la cheminée perméable, les solubilités d'uranium devraient être supérieures de 2 1/2 ordres de grandeur par rapport à celles indiquées par les expériences les plus récentes (et plus en concordance avec les estimations précédentes) pour engendrer la minéralisation primaire d'uranium dans la mine d'Osamu Utsumi.

Les mêmes modèles appliqués à un dépôt de déchets radioactifs hypothétique à haute température montrent que la chaleur provenant de la désintégration des déchets engendrerait un système de circulation hydrothermale remarquablement similaire à celui étudié sur le site d'analogies naturelles de Poços de Caldas. La profondeur de la convection de fluide engendrée par le dépôt hypothétique serait de 5 à 10 km, la température maximum d'env. 300°C, la durée de la phase à haute température de quelques milliers d'années et l'ébullition provoquerait la plus grande partie des altérations du dépôt de déchets radioactifs. L'analyse physique met en évidence l'importance de la perméabilité sur une échelle de 10 ×10 × 10 km pour le contrôle du degré de circulation potentielle à travers le dépôt hypothétique.

L'application des modèles chimiques au dépôt de déchets hypothétique, utilisés avec succès pour interprêter les minéralisations et altérations de la mine d'Osamu Utsumi, montre que, même dans le cas d'un scénario catastrophe (déchets placés dans une roche d'accueil perméable en l'absence de mesures limitant la circulation à travers le dépôt) le degré d'altération hydrothermale dans le dépôt hypothétique ne serait que d'env. 0.1 % de celui de la cheminée de la mine d'Osamu Utsumi. Dans l'hypothèse d'absence de frein à la mobilité de l'uranium, la précipitation d'uranium au-dessus du dépôt hypothétique serait de 0.05 ppm (plutôt que de 50 ppm), l'altération hydrothermale de 0.03 % poids (au lieu de 30 % poids), etc.

L'analyse montre que les altérations minéralogiques sont très sensibles aux paramètres thermodynamiques. La prédiction d'altérations minéralogiques (qui, par exemple, pourrait être nécessaire pour pronostiquer la migration de radionucléides autres que l'uranium) n'est probablement pas possible en s'appuyant sur les données thermodynamiques de laboratoire, même si le processus de détermination est très soigneux. Les complexités minéralogiques du système, de même que les incertitudes dans la banque de données, nécessiteront la calibration du cadre thermodynamique par rapport aux altérations minéralogiques observées en laboratoire ou sur le terrain selon des procédures brièvement décrites.

Technical Report NTB 90-30

Poços de Caldas Report No. 12
Testing models of redox front migration and geochemistry at the Osamu Utsumi mine and Morro do Ferro analogue study sites, Poços de Caldas, Brazil

Résumé

Des fronts redox peuvent se présenter en de nombreux endroits dans les systèmes de dépôt en milieu rocheux, et des modèles ont été développés pour décrire leur évolution chimique et spatiale. On peut contrôler de tels modèles au moyen des observations détaillées faites sur les fronts redox bien développés à la mine d'uranium d'Osamu Utsumi.

Des calculs simples peuvent expliquer en termes très généraux la formation de fronts redox, mais ils simplifient à outrance les processus se déroulant sur de tels fronts. Des modèles couplés transport/chimisme peuvent fournir une simulation meilleure des fronts, mais il s'agit en premier lieu de modèles interprétatifs qui n'ont pas encore atteint une capacité prédictionelle convaincante. En particulier, ils se montrent plutôt inaptes à simuler le chimisme des éléments trace, que ce soit en phase solide ou dissoute.

La modélisation interprétative de l'activité microbienne, des profils de séries naturelles et de distribution des éléments trace fournissent de fortes indications des limitations de la modélisation chimique. Il semble que la catalyse microbienne joue un rôle très significatif dans les systèmes redox, agissant particulièrement sur la chimie redox des sulfures. Les mesures de séries naturelles indiquent que le mouvement des fronts redox est très lent à certains endroits. Ceci pourrait être dû à des processus de précipitation limitant l'accès à la porosité ouverte. Cet aspect n'a été pris en compte dans aucun des modèles. Les distributions des éléments trace, enfin, suggèrent fortement que de nombreux éléments sont immobilisés sous forme de co-précipitats ou de solutions solides dans les minéraux secondaires du fer. Ce processus n'a pas non plus été pris en compte dans les modèles utilisés.

Technical Report NTB 90-29

Poços de Caldas Report No. 11
Testing of geochemical models in the Poços de Caldas analogue study

Résumé

Afin de tester les modèles géochimiques utilisés pour l'évaluation des performances de dépôts finals, on a livré à différentes équipes de modéliseurs une sélection d'analyses en éléments majeurs provenant d'eaux souterraines de la mine de Poços de Caldas; puis on leur a demandé pour un certain nombre d'éléments traceurs de faire une prévision «à l'aveuglette» des paramètres de solubilité, spéciation et limite en constituants solides.

Ce rapport présente ces pronostics et les compare avec les analyses de terrain. Ces tests mettent en lumière les points forts et faibles des modèles actuels/banques de données et permettent de formuler des recommandations pour l'introduction de modifications et améliorations.

Technical Report NTB 90-28

Poços de Caldas Report No. 10
Microbiological analysis at the Osamu Utsumi mine and Morro do Ferro analogue study sites, Poços de Caldas, Brazil

Résumé

Le projet Poços de Caldas représente une vaste étude d'analogies naturelles visant divers domaines d'intérêt pour l'évaluation des capacités d'un dépôt final pour déchets radioactifs. Une partie des travaux a consisté dans la caractérisation des populations microbiennes et l'étude de leur influence sur divers processus. Des carottes et des eaux souterraines ont été prélevées à diverses profondeurs dans des forages réalisés et dans la mine d'uranium à ciel ouvert d'Osamu Utsumi et dans le gisement de Th/terres rares de Morro do Ferro pour l'étude de la teneur en éléments microbiologiques. Des microbes ont été observés dans tous les échantillons mais leur nombre ne semble pas être lié à la profondeur. Les analyses d'eaux souterraines ont livré des populations plus grandes que les échantillons solides et ont mis en évidence la présence de bactéries du cycle du soufre.

Ces observations ont été comparées avec les pronostics livrés par un modèle utilisé pour l'évaluation des performances le modèle permet de calculer l'activité maximale de la biomasse/microbienne maximale compte tenu des limites imposées par la disponibilité d'éléments nutritifs et d'énergie. Les principales conclusions de cette analyses sont:

Technical Report NTB 90-27

Poços de Caldas Report No. 9
Chemical and physical characterisationof suspended particles andcolloids in waters from the OsamuUtsumi mine and Morro do Ferroanalogue study sites, Poços de Caldas, Brazil

Résumé

On présente des données sur les particules en suspension et les colloïdes dans les eaux souterraines des sites d'analogies naturelles de la mine d'Osamu Utsumi et de Morro do Ferro. On a utilisé une ultrafiltration à flux transversal à travers des membranes à pores de différents diamètres (450 à 1.5 nm) pour préparer des concentrats colloïdaux et des ultrafiltrats en vue de l'analyse des éléments majeurs et des éléments trace, ainsi que des compositions isotopiques de U et Th. Une caractérisation additionnelle des particules et des colloïdes a été effectuée par spectroscopie électronique (ESCA), par microscopie à balayage (SEM) et par diffraction aux rayons-X. On a ainsi montré que la concentration en colloïdes était faible dans ces eaux, et composée principalement d'espèces du fer et de molécules organiques. Associés à ces colloïdes, on trouve de faibles quantités de U et de quelques éléments trace (Si, Ca, Mg, Cu, Zn, Pb et occasionnellement Zr et Sn), et des quantités significatives de Th et de terres rares (TRs). Les mesures isotopiques de U indiquent qu'il y a équilibre d'échange d'éléments entre les phases aqueuse, colloïdale et de suspension. Les particules en suspension (> 450 nm) montrent la même tendance que les colloïdes en ce qui concerne les associations de U, Th et TRs, mais révèlent des concentrations en éléments typiquement plus élevées, d'un facteur 1000 ou plus. Les rapports d'association calculés (en ml/g) sont de l'ordre de grandeur de 10⁴ à 10⁵ pour U, 10⁵ à 10⁶ pour TRs, et 10⁶ à 10⁷ pour Th. Dans les eaux très sulfatées et à pH bas, ces rapports sont nettement plus faibles. Du fait de leur faible concentration dans les eaux souterraines de la mine d'uranium d'Osamu Utsumi, les particules en suspension ne contiennent qu'une faible quantité de U et TRs (moins de 10 % de la concentration totale de l'eau non filtrée), mais une quantité significative de Th, en général prédominante (30 à 70 %). Par rapport à celles de la mine, les eaux souterraines de Morro do Ferro présentent une charge de particules en suspension typiquement plus élevée, d'un facteur 5 à 10. Cela suggère que U et TRs pourraient être transportés de manière préférentielle par les particules en suspension. Il faut relever toutefois que ces particules, vu leur composition chimique et minéralogique (principalement des oxyhydroxydes de Fe(III) et des composés de type humique), possèdent une faible capacité de migration.

Technical Report NTB 90-26

Thermodynamique du gonflement de systèmes eau-bentonite, eau-métabentonite, eau-illite

Résumé

Les isothermes d'adsorption de vapeur d'eau et les enthalpies d'immersion dans l'eau de 15 échantillons d'argiles naturelles (bentonites, métabentonites, illites) ont été mesurées à 20°C. Ces mesures avaient pour but, d'une part, d'étudier l'influence du traitement des solides aux ultrasons, et d'autre part, d'observer la variation d'adsorption d'eau à différentes étapes du processus d'illitisation de la montmorillonite.

En ce qui concerne le traitement aux ultrasons, nous pouvons affirmer qu'il influence relativement peu les différents échantillons, mise à part la Métabentonite B. Cette dernière présente en effet une augmentation assez importante de la surface BET et du volume des micropores, ainsi que des pressions de gonflement à tous les taux d'hydratation. Les autres solides vont plutôt dans le sens d'une diminution de la surface BET et de la pression de gonflement à faible degré d'hydratation. Par contre, pour des quantités d'eau adsorbée élevées, la pression de gonflement augmente après traitement aux ultrasons, conformément aux observations de Kahr et Müller-Vonmoos. Cependant, il n'est pas possible, à partir de mesures faites à un seul contenu en eau, de tirer des conclusions pour toute autre teneur en humidité.

Nous avons également observé que l'adsorption est fortement influencée par le contenu en K+ dans l'argile. Plus il est élevé, plus l'adsorption est faible, d'où diminution de la pression de gonflement et de l'enthalpie d'immersion.

Enfin, en raison des difficultés rencontrées pour trouver un bon modèle mathématique ajustant la variation d'enthalpie d'immersion en fonction de la quantité d'eau pré-adsorbée, nous ni avons pu discuter en détails de l'entropie des molécules adsorbées. Nous nous sommes limités à quelques considérations à caractère qualitatif.

Technical Report NTB 90-25

Natural radionuclide and stable element studies of rock samples from the Osamu Utsumi mine and Morro do Ferro analogue study sites, Poços de Caldas, Brazil.

Résumé

Le présent rapport décrit une étude de la distribution et du comportement de radionucléides naturels et de quelques éléments stables des sites d'analogues naturels de Poços de Caldas. A Osamu Utsumi, on a focalisé l'étude sur le comportement des séries de radionucléides à désintégration naturelle et d'éléments stables aux fronts redox rencontrés dans la mine. Sur des nodules d'uranium prélevés dans la mine, on a également analysé les séries de radionucléides à désintégration naturelle pour caractériser leur âge et leur vitesse de croissance, et pour leur teneur en plutonium naturel. A Morro do Ferro, on a cherché à obtenir un complément d'informations sur le comportement géochimique du thorium, de l'uranium et des terres rares légères, et à relier ce comportement aux systèmes d'écoulement des eaux souterraines dans le but d'évaluer le degré de mobilisation de ces espèces.

On présente un survol succinct des aspects de la géochimie des séries de radionucléides à désintégration naturelle qui ont une importance pour l'interprétation du déséquilibre radioactif, ainsi qu'un compte rendu détaillé du traitement par modèle mathématique des déséquilibres des séries de désintégration naturelle dans les interactions eau-roche. L'étude décrit en outre en détail un certain nombre de sous­projets réalisés par cinq laboratoires différents. Enfin, pour boucler le travail sur lui-même, les résultats et conclusions de la présente étude ont été utilisés comme input pour des modélisations et autres traitements de ce programme de recherche intégré.

Les études des séries de désintégration naturelle des roches de la mine de Osamu Utsumi ont confirmé la mobilité généralement plus grande de U(VI) et de Ra que de U(lV), Th et Pa dans les eaux souterraines. Les résultats confirment en outre que sur le lieu de prélèvement des carottes, les écoulements souterrains à long terme se font vers le bas le long du système de fissures principal, et non vers le haut comme on peut l'observer actuellement.

La dissolution de l'uranium et d'autres éléments sur le front redox, suivi par un mouvement diffusif de part et d'autre de ce front, dans la roche oxydée et la roche réduite, est identifiée comme le mécanisme provoquant les profils de concentration observés autour des fronts redox. Dans la roche réduite, les dépôts d'uranium, que ce soit sous forme de minces pellicules déposées sur les autres minéraux ou sous forme de nodules individuels, sont la conséquence de la réduction de U(VI) en U(IV). Dans la roche oxydée, le dépôt d'uranium, presque certainement dû à la capture d'oxydes du fer, est identifié comme un processus de retardation significatif. Certains nodules d'uranium sont jeunes (pour une échelle de temps de 0.1 à 1 million d'années) et révèlent des vitesses de croissance de 1.8 à 2.6 cm par million d'années, tandis que d'autres, considérés comme anciens à cette échelle de temps, montrent un équilibre des séries désintégration naturelle. Dans la roche réduite, le temps nécessaire à la croissance des nodules est estimé à au moins cent mille ans, alors que le temps nécessaire pour la dissolution de micronodules pris dans la roche oxydée après le passage du front redox est estimé à environ dix mille à cent mille ans. La teneur en ²³⁹Pu naturel d'un nodule dans la roche réduite a été mesurée à 2.3 ± 0.7 × 10⁸ atomes par gramme. Cette teneur est en accord avec l'état d'équilibre séculaire entre ²³⁸U et ²³⁹Pu. Ces résultats montrent que l'uranium (avec ses descendants) et le plutonium sont, sous forme de nodules dans la roche réduite, stables pour une période d'au moins cent mille ans.

L'un des fronts redox étudiés s'est révélé effectivement statique (à l'échelle centimétrique) sur une période d'au moins sept cent mille ans. Les données des séries de désintégration naturelle des autres fronts correspondent à des vitesses de migration de l'ordre de 2 à 20 m par million d'années, ce qui est en bon accord avec la valeur estimée de la vitesse d'érosion régionale.

On a observé une redistribution du thorium sur les fronts redox, avec une tendance préférentielle au dépôt du côté réduit des fronts. Le taux de redistribution du thorium est estimé à au moins deux ordres de grandeur inférieure à celui de l'uranium. Une séparation de l'uranium et du thorium est observée quand les fronts redox se déplacent vers le bas, et le taux de séparation augmente parallèlement avec la longueur des voies d'écoulement de l'eau souterraine.

Les données succinctes qui sont fournies pour une série d'éléments stables, y compris des terres rares, confirment les observations décrites ci-dessus pour l'uranium. Elles indiquent que les zones voisines des fronts redox contiennent en général des concentrations élevées de la plupart de ces éléments, ce qui est à mettre en relation avec la dissolution active sur les fronts. Il en résulte une palette de distributions variée des différents éléments autour des fronts redox. Les fronts redox représentent ainsi une zone primaire de retardation, considérée comme un facteur favorable dans le cadre des considérations sur la migration de radionucléides sur de longues distances. Toutefois, cette situation présente également un aspect défavorable, à savoir que la zone de concentrations accrues se déplace en réponse au déplacement du front redox, et que, si la distance de migration est suffisante, on pourrait avoir une émergence de radionucléides en concentration élevée dans l'environnement proche de la surface.

Technical Report NTB 90-24

Chemical and isotopic composition of groundwaters and their seasonal variability at the Osamu Utsumi mine and Morro do Ferro analogue study sites, Poços de Caldas, Brazil

Résumé

Des échantillons d'eaux souterraines et de quelques eaux de surface ont été prélevés durant une période de 3 années sur deux sites d'étude d'analogies naturelles proches de Poços de Caldas au Brésil: la mine d'uranium d'Osamu Utsumi et le gisement de thorium/terres rares de Morro do Ferro. Ces eaux ont été analysées pour déterminer ses constituants principaux, divers éléments traces, le tritium, deutérium et ¹⁸O, afin de fournir les données hydrochimiques nécessaires pour les objectifs de modélisation fixés par le programme d'étude des analogies naturelles. Les eaux souterraines sont du type K-Fe-SO⁴. Ce type fort inhabituel est dû à l'érosion d'un massif de phonolites volcaniques et subvolcanique ayant subi une phase hydrothermale.

Un sous-ensemble d'une sélection de paramètres (Fe[ll], Fe[total), SO₄, pH, Eh, alcalinité, F et U) a été suivi afin d'obtenir des informations quant aux variations saisonnières. Des effets saisonniers ne sont apparus que dans d'aquifères peu profonds. On note par contre une tendance à une augmentation régulière de la concentration en solides dissous dans les eaux souterraines les plus profondes, ce qui démontre l'existence d'un panache croissant d'eau affectée par l'oxydation de la pyrite, mais sans acidité résiduelle. Les mesures de tritium et d'isotopes stables montrent que toutes les eaux souterraines sont d'origine météorique et qu'elles ne sont pas affectées de façon significative par l'évaporation ou une interaction eau/roche. L'alimentation des eaux souterraines des deux sites révèle des eaux d'infiltration d'un âge inférieur à 35 ans environ, alors que les eaux souterraines profondes présentent moins de 1 TU (unité tritium) mais contiennent néanmoins dans la plupart des cas des quantités de tritium détectables. On peut interpréter ces eaux souterraines plus profondes comme ayant un âge de 35 à 60 ans ou plus, résultant principalement d'eaux jeunes mélange des eaux souterraines plus anciennes et/ou indiquant l'influence d'une production souterraine de tritium.

Technical Report NTB 90-23

Poços de Caldas Report No. 5
Geomorphological and hydrogeological features of the Poços de Caldas caldera and the Osamu Utsumi mine and Morro do Ferro analogue study sites, Brazil

Résumé

La mine d'Osamu Utsumi et le site de Morro do Ferro sont situés sur le plateau de Poços de Caldas, qui est de forme approximativement circulaire, d'un diamètre de 35 km et d'une superficie d'environ 800 km2. Son altitude se situe entre 1300 et 1600 m. Le plateau constitue la forme érodée d'une caldera dont l'intrusion a eu lieu il y a env. 80 millions d'années.

Géomorphologiquement parlant les deux sites occupent les bassins versants adjacents à des ruisseaux du centre du plateau. Le climat de la région présente une nette alternance de saison humide de novembre à avril de saison sèche le reste de l'année. Le débit d'eau de ces ruisseaux est éphémère dans leur partie supérieure parce que leur alimentation dépend d'un écoulement de base lui-même décroissant. Durant la saison humide ces ruisseaux présentent de brusques crues en raison de très fortes précipitations qui les font déborder. Les eaux souterraines sont en outre réalimentées durant la saison humide. Les pentes naturelles sont abruptes et la végétation originelle consistait en une légère couverture forestière qui aujourd'hui n'occupe plus que le fond des vallées. Les pentes utilisables ne présentent qu'une couverture herbeuse de mauvaise qualité utilisée comme pâturage pour le bétail. Le plateau forme un élément stable dont la surface a été soumise à une érosion de l'ordre de 12 m par million d'années au cours des 50 millions dernières années.

La géologie de la mine est essentiellement constituée de phonolites volcaniques à subvolcaniques altérées hydrothermalement. La fracturation des roches est importante. La diffusion de l'oxygène vers le bas dans les eaux souterraines lors de l'altération profonde a produit une zone rédox très claire qui se manifeste par un changement de coloration passant d'un vert/gris à un brun/jaune. Morro do Ferro présente une version d'avantage altérée (latérite/argile) de la même géologie pénétrée par des dykes de brèches de magnétite. Alors que la région entourant Morro do Ferro est restée intacte, celle située aux alentours de la mine a été sérieusement perturbée par les activités minières qui ont pénétré dans la nappe phréatique. La mine a modifié la circulation des eaux souterraines et a perturbé le mouvement des eaux oxydantes et réductrices.

Technical Report NTB 90-22

Pogos de Caldas Report No.4
Isotopic geochemical characterization of selected nepheline syenites and phonolites from the Po~os de Caldas alkaline complex, Minas Gerais, Brazil.

Résumé

On présente et discute les données isotopiques des études hydrothermales du projet d'analogues naturels de Poços de Caldas. L'objectif visé est la compréhension du transport de masse des éléments et isotopes associés à la minéralisation hydrothermale et à l'altération, à la mine d'uranium d'Osamu Utsumi, notamment dans ses aspects applicables à l'isolation des déchets radioactifs dans le cadre du programme des déchets nucléaires aux Etats Unis d'Amérique.

On a focalisé l'étude sur les aspects thermique, chimique et hydrologique du régime paléo-hydrothermal associé à une cheminée bréchique à la mine d'Osamu Utsumi. Ce régime a été étudié en vue de la caractérisation géochimique, géochronologique et pétrographique des néphélines, syénites et phonolites régionales non altérées.

Les roches régionales étudiées présentent une répartition de δD et δ¹⁸O étirée verticalement, indiquant une possible interaction entre la roche et les eaux météoriques. Pour les échantillons de néphéline, syénite et phonolite régionales, les régressions effectuées sur Rb-Sr de la roche totale n'ont pas produit d'isochrones. Une isochrone, obtenue par régression pour un minéral séparé contenu dans un échantillon de syénite néphélitique, a fourni un âge de 78 m.a. et un rapport initial ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr de 0.70511. Les rapports initiaux modérés constatés pour 87Sr/86Sr des syénites néphélitiques régionales indiquent que le magmatisme alcalin provient peut-être du manteau, avec une incorporation de matériaux de la croûte à haut rapport Rb/Sr. Les valeurs de δ¹⁸O qui sont plus fortes que celles du manteau, si elles ne sont pas exclusivement dues aux processus de surface, indiquent peut-être aussi une assimilation de matériaux de la croûte. Les données Sm-Nd des roches régionales ne définissent pas d'isochrones, bien que les échantillons de syénite néphélitique sont tout à fait compatibles avec l'isochrone de 78 m.a. et le rapport initial ¹⁴³Nd¹⁴⁴Nd de 0.512359 calculés par modèle. Les échantillons régionaux de phonolite fournissent des valeurs très nettement en dehors de cette isochrone. Un tel comportement de système ouvert est probablement dû au fait que les échantillons de phonolite possèdent différentes valeurs initiales de ¹⁴³Nd¹⁴⁴Nd. Même dans ce cas, tous les échantillons régionaux se situent dans la tendance du type manteau ("Mantle Array"). Leur localisation dans l'espace εNd-εSr indique un magma source asthénosphérique de type Basalte de crête médio-océanique (MORB en anglais), contaminé par des roches ignées et métamorphiques continentales (par exemple des schistes précambriens entourant le plateau de Poços de Caldas).

Les carottes provenant du sondage F4 à la mine d'Osamu Utsumi ont subi à des degrés variés une minéralisation hydrothermale et un métasomatisme, ainsi qu'une altération météorique profonde. Les roches affectées par l'hydrothermalisme présentent une dérive assez prononcée pour δD, et faible seulement pour δ¹⁸O.

L'orientation δD-δ¹⁸O des échantillons de roche affectée par l'hydrothermalisme au sondage F4 reflète très probablement la variabilité du régime paléohydrothermal en ce qui concerne les températures et les écoulements souterrains, qui conditionnent l'interaction eau/roche et les échanges isotopiques.

Les régressions des données Rb-Sr de la roche totale de sous-échantillons de l'échantillon du xénolite de syénite néphélitique fournissent un âge de 76 m.a. et un rapport initial ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr de 0.70530. En raison d'un hydrothermalisme et d'un métasomatisme marqués, on pense que le système isotopique Rb-Sr de cet échantillon a été rééquilibré, ce qui veut dire que l'âge défini par la régression correspond à l'âge de l'hydrothermalisme. Si l'on utilise un diagramme composé (⁸⁷Sr/⁸⁶Sr)i versus 1/Sr, on peut identifie des directions différentes pour l'altération hydrothermale, la minéralisation et l'altération météorique.

Là encore, les sous-échantillons de syénite néphélitique ne définissent pas d'isochrone basé sur Sm-Nd, mais sont tout à fait compatibles avec l'isochrone de 78 m.a. et le rapport initial ¹⁴³Nd/¹⁴⁴Nd de 0.512365 calculés par modèle. Les données isotopiques de Sm-Nd révèlent une modification probable par l'altération hydrothermale et métasomatique.

Un filon de lamproïte, qui recoupe l'altération hydrothermale de la mine d'Osamu Utsumi, fournit un âge de 76 m.a. qui correspond à l'âge Rb-Sr des sous-échantillons de syénite néphélitique.

Technical Report NTB 90-21

Pogos de Caldas Report No.3
Mineralogy, petrology and geochemistry of the Poços de Caldas analogue study sites, Minas Gerais, Brazil.

Résumé

Le dépôt de thorium et terres rares (Th-TRs) de Morro do Ferro est d'origine secondaire; il a été formé sous des conditions d'altération latéritique. Le minerai forme un corps composé de lentilles argileuses peu profondes, allongées NW-SE, descendant du sommet de la colline le long de son versant SE. Le dépôt est coiffé d'un réseau de veines de magnétite qui a protégé d'une érosion excessive la roche d'accueil argileuse et fortement altérée. La roche avoisinante est constituée d'une séquence d'intrusions de phonolite subvolcanique, fortement altérée par des processus de nature hydrothermale et secondaire.

Les analyses pétrographiques, minéralogiques et géochimiques, ainsi que les bilans de masse, indiquent que la roche d'accueil fortement altérée était à l'origine une carbonatite, riche en Th-TRs par rapport aux roches silicatées voisines. L'intrusion de la carbonatite a produit à son contact une fénitisation des phonolites, à savoir une altération potassique suivie d'une minéralisation de Th-TRs en veines, accompagnés de fluorite, carbonates, pyrite et zircons. L'altération latéritique a ensuite complètement détruit la carbonatite, formant un enrichissement résiduel secondaire de Th-TRs.

La première altération de la carbonatite produisant des solutions enrichies en carbonates et phosphates a pu réduire notablement la dissolution des phases primaires de Th-TRs. Une altération très oxydante a conduit au fractionnement entre le cérium et les autres terres rares légères (TRLs); le Ce³⁺ est oxydé en Ce⁴⁺ et retenu avec Th dans la formation de minéraux secondaires et dans l'adsorption sur les hydroxydes de fer et d'aluminium mal cristallisés. En revanche, les TRLs trivalentes sont retenues à un moindre degré et donc plus disponibles pour la formation de minéraux secondaires et pour l'adsorption à des profondeurs plus grandes dans le profil d'altération. Des fluctuations saisonnières des eaux de recharge pourraient expliquer dans ce profil la répétition de zones enrichies en Th-Ce surmontant de zones enrichies en TRLs trivalentes.

Technical Report NTB 90-20

Poços de Caldas Report No.2
Mineralogy, petrology and geochemistry of the Poços de Caldas analogue study sites, Minas Gerais, Brazil. 1: Osamu Utsumi uranium mine

Résumé

Les roches de la mine d'uranium d'Osamu Utsumi sont constituées principalement de la même séquence volcanique et subvolcanique que celle du complexe de caIdera de Poços de Caldas, caractérisée par des intrusions de phonolites et syénites néphélitiques. On y trouve aussi des brèches de cheminée volcanique d'environ 80 m de diamètre, dont la matrice est concentrée en minéraux U-Th-Zr-TRs (Terres Rares). Une forte phase hydrothermale, liée à la formation des brèches, a produit une altération potassique et une pyritisation des phonolites et syénites, ainsi qu'une minéralisation de faible degré de pechblende disséminée. L'altération potassique a transformé tous les feldspaths en purs feldspaths potassiques, la néphéline en illite et kaolinite, et les clinopyroxènes, qui sont les supports primaires des TRs, en mélanges riches en TiO2, minéraux argileux et pyrite. L'enrichissement en K, S, U, Th, Pb, Rb, Ba et Mo a été accompagné d'un fort appauvrissement en Ca, Na, Mg et Sr. Les données des inclusions fluides indiquent que les fluides hydrothermaux possédaient une température d'environ 250°C et se composaient d'une mixture d'eau et d'environ 7 % de KCI, en pourcentage pondéral. Quant aux fluides hydrothermaux dans les brèches de cheminée, qui véhiculaient encore du Zr, Hf et F, ils devaient bouillir sous des températures d'environ 210°C, et se composaient d'une saumure eau-KCI-NaCI contenant du FeSO₄ et du KF, avec 40 à 45 % en poids de KCI. Des filons ultramafiques d'affiliation carbonatitique, datés à 76 m.a., permettent de situer la fin de la phase hydrothermale.

Sous une couverture latéritique de 20 à 40 m d'épaisseur et une zone altérée de 15 à 60 m d'épaisseur, les pyrites ont subi une altération secondaire par oxydation jusqu'à des profondeurs de 80 à 140 m. Le front redox est marqué par une couleur de roche passant du jaune-ocre au gris-vert. Au voisinage des fissures aquifères, le front redox atteint de plus grandes profondeurs. La mobilisation minérale dans la zone oxydée et la précipitation juste en dessous du front redox a produit une minéralisation secondaire de pechblende, partiellement en nodules en combinaison avec de la pyrite secondaire. Cette dernière, parfois liée à du Cd, présente un rapport δS de -13 ‰, alors que les pyrites hydrothermales ont un rapport δS de -3.63 à +1.24 ‰. La faible valeur du premier rapport est attribuée à une action bactérienne. Au voisinage immédiat du front redox, la dissolution des feldspaths potassiques devient visible, et la teneur en kaolinite commence à augmenter. Le changement de couleur au front redox est causé par la présence d'oxydes hydreux de fer qui, avec le temps, se transforment d'hydroxydes amorphes de fer en goethite et hématite. Du côté oxydé du front, on trouve fréquemment de l'alunite et de la jarosite. Au front redox, la porosité passe de 5 à 8 % (presque doublée).

On trouve de la gibbsite au contact latérite-roche altérée, lorsque les feldspaths potassiques ont été éliminés. Beaucoup des TRs sont associées à des argiles riches en phosphates, comprenant aussi les minéraux du groupe crandallite. Ces TRs semblent difficilement mobilisables par les fluides d'altération oxydants. On n'a observé qu'une légère décroissance des teneurs en TRs de la roche oxydée à la roche réduite, la décroissance étant toutefois plus marquée pour les Terres Rares légères. Il y a certains indices d'une séparation de Ce et Eu des autres TRs.

Technical Report NTB 90-19

The regional geology, mineralogy and geochemistry of the Poços de Caldas alkaline caldera complex, Minas Gerais, Brazil.

Résumé

Le complexe alcalin de Poços de Caldas, le plus grand en Amérique du sud, a une forme circulaire avec un diamètre moyen d'environ 33 km. Il représente l'un des gisements alcalins du Mésozoïque au sud-est du Brésil, développé à partir du Jurassique supérieur en liaison avec la rupture et la dérive continentale. Il comprend une série de roches volcaniques alcalines et de roches plutoniques (principalement des phonolites et des syénites néphélitiques) présentant des teneurs d'arrière-plan normales en U, Th et terres rares (TRs). La séquence évolutive a commencé par un jeune volcanisme majeur produisant des ankaratrites, des laves phonolitiques et des volcanoclastes, s'est poursuivie par une subsidence de la caldera et des intrusions de syénite néphélitique formant des anneaux mineurs de dykes, des corps intrusifs variés et des structures circulaires. Enfin, on trouve la mise en place de syénites néphélitiques et de phonolites fortement enrichies en éléments incompatibles.

L'évolution magmatique a inclue des processus deutériques, signalant la présence d'un magma parent riche en éléments volatils. Ces processus ont eu cours sur une large gamme de températures et ont engendré des veines pegmatitiques et des associations minérales pneumatolytiques et auto-hydrothermales comprenant des silicates à métaux rares tels que la giannettite, des zéolites variées, de la fluorite et de l'hématite, ainsi que des altérations de minéraux. Ces altérations se sont développées d'une pseudoleucite jusqu'à une palette des principaux feldspaths alcalins, par échanges d'éléments alcalins sous des conditions auto-hydrothermales (avec la formation de fluides hydrothermaux, début de kaolinisation et pigmentation par des oxydes ferriques d'hématite hydratée). Du point de vue géochimique, les roches résultantes sont enrichies en potassium, par rapport à l'ensemble des syénites néphélitiques et des phonolites. Une mobilisation et une concentration en U, Th et TRs n'a pas pu être détectée à ce stade.

Au moins à un endroit (Morro do Ferro), la séquence néphélitique intermédiaire a été affectée par une intrusion de carbonatite et la formation d'un réseau de veines de magnétite. De très intenses altérations hydrothermales riches en potassium et en soufre ont été observées localement, en association avec la formation de brèches magmatiques pénécontemporaines.

Ces processus ont conduit à la formation de plusieurs anomalies radioactives importantes et riches en TRs. Deux d'entre elles, le gisement de Th-TRs à Morro do Ferro et le gisement de U-Zr-TRs-Th à la mine d'uranium d'Osamu Utsumi, font partie des sites d'étude du projet d'analogies naturelles de Poços de Caldas.

Les principales étapes ultérieures de l'évolution du complexe de Poços de Caldas comprennent la mise en place de roches filonniennes mafiques et ultramafiques, et l'apparition d'une altération latéritique et allitique, conduisant (à la mine d'uranium) à une redistribution géochimique secondaire et à la formation de fronts redox, parfois liés à des enrichissements en uranium.

Les études régionales de la roche ont été concentrées sur les propriétés de stabilité (statu quo) de la séquence néphélitique intermédiaire, en tenant compte des processus subséquents de l'hydrothermalisme local et des processus liés à l'altération. Ces études comprennent des volets pétrographique, minéralogique, géochimique et isotopique, en plus de l'examen des paramètres pétrophysiques. Les résultats ont montré qu'il y a peu de différences entre les roches étudiées, des syénites néphélitiques et des phonolites intrusives, subvolcaniques et volcaniques. L'absence de séries nettement différenciées penche en faveur d'une phase de mise en place courte pour la séquence néphélitique intermédiaire. Des datations radiométriques antérieures et actuelles suggèrent une durée de mise en place d'environ 15 millions d'années (m. a.), ce qui est beaucoup trop long si on la compare à celle des volcans actuels. La fin des événements magmatiques et de minéralisation hydrothermale est probablement déterminée par la datation Ar-Ar d'une intrusion filonienne de lamprophyre non minéralisée sur le site de la mine d'uranium (76 m. a.).

Technical Report NTB 90-18

COMPLEXATION OF Cu2+, Ni2+ AND UO22+ BY RADIOLYTIC DEGRADATION PRODUCTS OF BITUMEN

Résumé

La dégradation radiolytique du bitume a été étudiée dans les conditions analogues à celle qui existeraient dans le champ proche d'un dépôt de déchets radioactifs cimentés.

La capacité potentielle de complexation des produits de dégradation a été étudiée et des expériences de complexation de Cu²⁺, Ni²⁺ et UO₂²⁺ ont été réalisées. En général des complexes 1:1 avec le Cu²⁺, le Ni²⁺ et l'UO₂²⁺ ont été produits pour une force ionique de 0,1 M et avec les valeurs de log K allant de 5,7 à 6,0 pour le Cu²⁺, de 4,2 pour le Ni²⁺ et de 6,1 pour l'UO₂²⁺. La composition de l'eau bitumeuse a été analysée par GC-MS et par lC. Les principaux produits de dégradation du bitume en solution sont des acides monocarboxyliques (acides acétique, formique, myristique, stéarique ...) des acides dicarboxyliques (oxalique, phthalique) et des carbonates.

La valeur du log K mesurée pour pH = 7 de l'eau bitumeuse est comparable à celle des oxalates pour le Cu²⁺, le Ni²⁺ et l'UO₂²⁺. Cependant, pour les conditions de pH plus élevé, typiques pour un champ proche d'un dépôt cimenté, la compétition avec OH-ligands devient plus importante et l'oxalate cesse de jouer un rôle important pour la spéciation des radionucléides. La conclusion principale de cette étude est que les produits de dégradation du bitume n'auront pas d'influence sur la spéciation, des radionucléides dans le champ proche du dépôt cimenté et que ces produits de dégradation radiolytique ne devraient pas être pris en considération dans les modèles d'analyse de sécurité.

Technischer Bericht NTB 90-17

Langzeitquellenverhalten von Tongesteinen und tonigen Sulfatgesteinen

Résumé

La composition minéralogique des argiles, telles que "l'Opalinuston", mais aussi d'autres roches sulfatées, semble jouer un rôle aussi décisif que la pression de confinement lors de processus de gonflement.

Le potentiel de gonflement des argiles augmente avec leur contenu en argile et en fonction de leur surface spécifique. Par contre, il est rare de rencontrer des pressions de gonflement supérieures à 2 MPa ainsi qu'une masse de gonflement excédant 10 % à des profondeurs de moins de 300 mètres.

La relation entre la composition minéralogique et le gonflement des roches sulfatées est plus compliqué car la texture influence le potentiel de gonflement. La texture détermine l'évolution temporelle et l'utilisation du potentiel de gonflement des minéralogies en présence.

Les roches anhydritiques pures ne gonflent pratiquement pas. Par contre, les roches anhydritiques dont le contenu en argile dépasse 5 % causent des pressions de gonflement excédant 1 MPa (déformation axiale inférieure à 1 %). Les roches se composant de 10 à 15 % d'argiles et de 70 à 75 % d'anhydrite présentent un potentiel de gonflement maximum. Dans ces cas, les pressions de gonflement excédent 4 MPa (déformation axiale inférieure à 2.5 %). Lorsque le contenu en argile dépasse 15 % et que celui de l'anhydrite est plus bas que 70 %, le potentiel de gonflement diminue à nouveau.

Le volume de gonflement des roches anhydritiques contenant des argiles est directement proportionnel à la quantité d'anhydrite se transformant en gypse. Dans ce contexte, le contenu en argile joue aussi un rôle important: des échantillons sans argiles ne gonflent pas, même sur une durée de six ans.

Plus un échantillon d'anhydrite argilifère contient d'argile, plus la transformation d'anhydrite en gypse se fait rapidement. Après 2 ans et en l'absence de toutes contraintes, des échantillons contenant 5 % d'argile présentent un volume de gonflement supérieur à 100 % alors que 90 % de l'anhydrite s'est transformé en gypse.

Technical Report NTB 90-16

Experimental proposals for procedures to investigate the water chemistry, sorption and transport properties of marl

Résumé

Le but de ce rapport est de décrire le cadre des études de laboratoire sur la chimie de l'eau interstielle d'une formation rocheuse, sur la sorption et sur les propriétés de transport des nucléides dans cette formation. Ces études peuvent être conduites sur des échantillons des formations géologiques considérées comme candidates potentielles pour le stockage définitif des déchets radioactifs. Ici, la marne de Valanginien a été choisie comme exemple spécifique, mais les principes généraux devraient être applicables aux autres systèmes.

Quelques brèves notes sont données sur les procédures d'échantillonnage, de traitement et sur la caractérisation minéralogique. Suit une discussion détaillée des procédures nécessaires à la détermination de la chimie de l'eau imprégnant une matrice rocheuse spécifique. Les méthodes décrites sont particulièrement appropriées à des formations telles que les marnes, c.-à-d. des roches à faible contenance en eau (essentiellement sèches) avec une teneur appréciable en argile et carbonates. Les auteurs sont d'avis que l'extrapolation linéaire aux conditions in situ (proportion eau/roche correspondant à la porosité) des résultats expérimentaux obtenus à partir des équilibrations entre eau distillée et roche pour diverses proportions entre liquide et solide, ne sont pas toujours appropriées et peuvent conduire à des compositions incorrectes de l'eau interstielle.

Plusieurs des incertitudes et difficultés inhérentes à la détermination des paramètres de sorption basés sur des méthodes de batch, d'infiltration et de diffusion sont présentées. Ces méthodes sont alors discutées individuellement plus en détail à l'aide d'exemples descriptifs.

Dans les quelques études où la sorption a été mesurée dans des roches broyées et comparées avec les résultats expérimentaux obtenus à partir de roches intactes, on a souvent trouvé des écarts. Une procédure d'expérimentation est décrite dans laquelle les résultats des deux types de test peuvent être comparés entre eux au moyen de la mesure de capacité d'échange cationiques. En utilisant cette méthode il peut être possible d'expliquer les raisons de ces écarts.

Finalement, une brève discussion est faite sur les conséquences possibles pour des études expérimentales dans le cas de gaz inclus dans la marne de Valanginien et pour le gonflement des composants riches en argile.

Les auteurs aimeraient exprimer que les opinions, idées et concepts de ce rapport représentent leur vues à une certaine période (octobre 1989) avant que le programme expérimental sur les marne soit complètement en route. L'expérience pratique permettra finalement de juger le contenu de ce travail. Même si quelques-unes de ces idées se révèlent fausses, cette étude est néanmoins utile car elle aura fourni un cadre à un travail expérimental, et une base pour de futurs développements.

Technical Report NTB 90-15

Grimsel Test Site
Uranium migration in crystalline rock:
Capillary solution transport in the granite of the Grimsel Test Site

Résumé

On a étudié au laboratoire souterrain du Grimsel (FLG) la formation de sécrétions superficielles uranifères, fluorescentes à la lumière UV, sur les parois ventilées des galeries. Des analyses minéralogiques, chimiques et radiochimiques de ces sécrétions et du cristallin sous-jacent (deux carottes de forage) sont réalisées. Le transport capillaire de l'eau interstitielle vers la surface a été analysé par trois petites expériences réalisées "in situ": a) Extraction sous vide d'eau interstitielle b) Evaporation superficielle dans des conditions déterminées c) Infiltration d'eau dans la paroi du tunne.

Les eaux interstitielles des zones fluorescentes ont une composition semblable à celle d'autres eaux souterraines du FLG, mais avec des teneurs beaucoup plus élevées en uranium (jusqu'à 1 mg/l). Cet uranium est vraisemblablement mobilisé dans les microfissures aquifères, par l'air dissous (O₂ et CO₂), à partir des minéraux uranifères finement répartis. Le transport à travers une roche toujours plus sous-saturée vers l'extérieur résulte de forces capillaires et de l'évaporation superficielle à partir de microfissures très étroites et pleines d'eau. Par ailleurs, le système capillaire sous-saturé aspire l'eau de la surface du tunnel (0.5 – 1 bars).

es analyses chimiques et radiochimiques du granite proche du tunnel indiquent une adsorption/ co-précipitation partielle de l'uranium sur/avec Fe₂O₃ (H₂O)_x à partir de l'eau interstitielle ventilée pendant la formation des dépôts fluorescents. Contrairement à l'uranium, le thorium et le radium restent immobiles dans le granite proche de la surface. Les zones fluorescentes témoignent des conditions géochimiques dans lesquelles l'uranium et éventuellement d'autres actinides sont très mobiles et peuvent être transportés rapidement. De telles conditions sont partout liées à zones non saturées à proximité des surfaces ventilées et devraient de ce fait ni avoir qu'une faible influence directe pour l'analyse de sûreté de dépôts profonds pour déchets radioactifs. Elles donnent toutefois des indications sur les perturbations physiques et chimiques au cours de la construction et de la première phase d'exploitation d'un tel dépôt.

Technischer Bericht NTB 90-14

Hydrogeologische Modellierung im Opalinus-Ton und in der Unteren Süsswasser-Molasse der Nordostschweiz

Résumé

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:

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.

Technical Report NTB 90-13

Radionuclide chain transport with matrix diffusion and non-linear sorption

Résumé

Un modèle de transport bidimensionnel de radionucléide en roche inhomogène est décrit dans ce rapport.

Le transport advectif et dispersif a lieu dans les zones conduisant l'eau qui peuvent être considérées comme un réseau de veines en forme de tubes ou de fractures planes. Les nucléides diffusent de ces zones conductrices dans l'eau stagnante des pores, en cette zone de la roche limitée dans l'espace (diffusion dans la matrice). La sorption des radionucléides à la surface de la roche est décrite par une isotherme non-linéaire.

Dans certaines conditions, la diffusion dans la matrice peut être représentée par une sorption (non-linéaire) à la surface des zones conductrices. La décroissance radioactive et, dans le cas de chaîne de décroissance, la croissance d'activité sont également prises en considération dans ce modèle.

Les solutions numériques des équations de transport basées sur la méthode des lignes sont développées en détail. Les avantages de cette approche sont son efficacité, sa fiabilité et sa flexibilité en égard aux conditions limites et initiales ainsi qu'aux formes arbitraires d'interaction entre nucléide et roche.

Pour ¹³⁵Cs, nous montrons par une analyse de sensitivité l'impact de la sorption non-linéaire (Freundlich) sur la combe d'écoulement. Il est démontré qu'à temps de transport comparable ou plus grand que la période du nucléide, la sorption non-linéaire peut réduire les concentrations de plusieurs ordres de grandeur à la sortie de la géosphère. Quelques résultats sont également donnés pour les nucléides de filiation de ²³⁸U.

Technical Report NTB 90-12

A thermodynamic description of the evolution of porewater chemistry and uranium speciation during the degradation of cement

Résumé

L'influence du ciment Portland, utilisé comme matériau de solidification, de colmatage ou de construction, sur le comportement chimique à long terme d'un dépôt final pour déchets de faible et de moyenne activité a été étudié. Afin de décrire le comportement chimique à long terme d'éléments à base de ciment, une série de sous-modèles ont été développé, relatifs à l'hydratation du ciment, aux propriétés thermodynamiques d'hydrates de silicates de calcium et à la dégradation de ciments hydratés par des eaux souterraines naturelles. La lixiviation d'uranium à partir d'une matrice de ciment a été modélisée à titre d'application.

L'hydratation du ciment est modélisée en utilisant la méthode de Bogue. Les diverses variétés de minéraux de ciments hydratés possible sont classées en plusieurs groupes de solides modèles. On part de l'hypothèse que les additifs au ciment (par ex. silica fume, trass) réagissent totalement avec celui-ci.

Le comportement de la dissolution incongruente des hydrates de silicates de calcium (gels CSH) est décrit en utilisant une approche directement applicable aux codes des spéciations géochimiques communes. Se fondant sur l'hypothèse que les gels CSH peuvent être décrits par des composantes indépendantes de modèles, leurs propriétés de solubilité sont tirées d'une grande quantité de données trouvées dans la littérature. Les constantes de solubilité sont données en fonction de la composition de gels CSH.

Les résultats de modèles d'hydratation et de dissolution sont utilisés pour décrire la dégradation du ciment par des eaux souterraines naturelles en partant d'un modèle à récipient mélangeur. Le modèle à récipient mélangeur présuppose un équilibre thermodynamique entre le ciment hydraté et l'eau souterraine et recalcule la spéciation des solutés dans les solutions à l'intérieur des pores ainsi que l'inventaire chimique restant, par étapes successives (cycles). Il faut compter ca. 5000 à 10'000 cycles pour dégrader totalement un ciment hydraté. La «durée de vie» en question dépend essentiellement de la composition de l'eau souterraine. La composition du ciment n'a qu'une influence secondaire sur la durée de vie mais elle détermine le niveau du pH absolu et la période relative durant laquelle les conditions de pH élevé (pH ~ 12) sont maintenues dans la solution à l'intérieur des pores. La concentration de carbonates dans l'eau souterraine s'avère être un paramètre très important en raison de la transformation des minéraux de ciments hydratés en calcite.

La dissolution de l'uranium dans un ciment en cours de dégradation est modélisée, à titre représentatif pour les actinides, en supposant un Eh de -300 mV. La concentration d'uranium dans la solution des pores est déterminée par le «choix» de la phase limitant la solubilité. Si la spéciation est calculée en utilisant les solubilités thermodynamique des pure solides, des niveaux de concentration de l'ordre de 10^-4 M sont trouvés pour U₃O₈, USiO₄, UO₂, U₄O₉ et de 10^-14 M pour CaUO₄. On trouve q'une lixiviation cumulative d'uranium à partir de ciments hydratés est presque indépendante de la composition du ciment et de celle de l'eau, mais qu'elle dépend fortement des propriétés de la phase limitant la solubilité. Une quantité de 0.1 mmole U/kg de ciment hydraté est complètement lixiviée après 5 à 10 cycles si l'on utilise U₃O₈ comme solide limitant la solubilité, après ~ 100 cycles avec UO₂ et après ~ 5000 (jusqu'à 10'000) cycles avec CaUO₄.

Ce rapport se termine par des recommandations pour le développement ultérieur de sous­modèles et conclut par une liste de priorités appropriées.

Technical Report NTB 90-11

Modelling of a diffusion-sorption experiment on sandstone

Résumé

The results of a diffusion-sorption experiment on a sample of Darley Dale sandstone, using simulated groundwater spiked with a mixture of ¹²⁵I, ⁸⁵Sr and ¹³⁷Cs, are modelled by a one-dimensional porous medium approach in which sorption is described by Freundlich isotherms. The governing equations are solved analytically for the special case of a linear isotherm, and numerically using the computer code RANCHDIFF for non-linear isotherms. A set of time-dependent, ordinary differential equations is obtained using the Lagrange interpolation technique and integrated by Gear's variable order predictor-corrector method.

It is shown that the sorption behaviour of ⁸⁵Sr can be modelled successfully by a linear isotherm, using a sorption parameter consistent with batch-sorption tests. The behaviour of ¹³⁷Cs may be modelled by a non-linear isotherm, but the amount of ¹³⁷Cs sorbed is less than that anticipated from batch-sorption tests. ¹²⁵I is assumed to be non-sorbing and is used to determine the porosity of the sandstone.

Technical Report NTB 90-10

Groundwater Flow Through Fissured Rock: Field Investigatons and Interpretation in the Albigna Dam Area, Graubonden, Switzerland

Résumé

La conductivité des roches joue un rôle important dans la planification des dépôts de déchets radioactifs et industriels. L'estimation quantitative des substances dissoutes qui peuvent avec le temps atteindre la biosphère par le biais des écoulements souterrains se base sur une compréhension de l'hydraulique des roches et sur des calculs par modèle. On se consacre ici à l’étude des écoulements en milieu fissuré, en mettant l’accent sur l’acquisition des données in situ et leur interprétation au moyen de modèles numériques.

L'assise rocheuse d'un barrage a été choisie comme site d'observation. L'avantage d'un tel site réside dans le fait que la roche est soumise à de fortes variations saisonnières du gradient hydraulique, en raison des fluctuations du niveau de la retenue. De plus, les nombreux forages qui équipent un tel site, et où l'on peut installer des instruments de mesure, garantissent une bonne accessibilité au milieu étudié.

Notre projet a été réalisé au barrage d'Albigna dans le canton des Grisons, en Suisse, où les plus grandes fluctuations du niveau de la retenue atteignent approximativement 100 m. Dans la région du barrage, la roche consiste en un granite frais et compact, dont on connaît bien l'orientation et la distribution des systèmes de diaclases.

Le programme de mesures comportait deux parties: la mesure des pressions hydrauliques dans les forages, pour évaluer le champ des potentiels, et la mesure des contraintes de la roche, pour étudier la relation entre l'ouverture des fissures et les fluctuations du niveau de la retenue. La comparaison des deux séries d'observation permet d'évaluer les interactions entre l'hydraulique et la mécanique de la roche, c'est à dire entre les deux processus majeurs qui peuvent influencer la perméabilité de l'assise rocheuse. Les instruments de mesure ont été placés sur un plan perpendiculaire au barrage, environ au milieu de celui-ci. Cinq forages de 50 à 60 m de longueur ont été équipés pour le lever piézométrique d'environ 40 points de mesure. En outre, deux forages placés de part et d'autre du plan d'investigation ont servi à des mesures de contrôle. Les pressions ont été mesurées grâce à un système “Piezodex”. Les contraintes ont été mesurées de manière continue le long de deux des forages du plan d'investigation, grâce à un micromètre coulissant. Les deux instruments de mesure de précision sont des sondes portables dont le fonctionnement et la précision peuvent être vérifiés à chaque instant.

Les résultats des mesures de pression sont présentés sous forme tabulée et graphique. Les pressions dépendent en premier lieu de l'emplacement du point de mesure et du niveau de la retenue au moment de la mesure. Les variations de contrainte sont liées à quelques grandes diaclases mécaniquement actives. La comparaison des mesures du système Piezodex avec celles du micromètre coulissant révèle une corrélation entre la déformation de la roche et la modification du potentiel hydraulique. Deux grandes diaclases situées au pied du barrage, côté retenue, influencent en s’ouvrant ou se refermant le champ des potentiels de manière déterminante. On a représenté ce dernier sous forme d'équipotentielles, par interpolation linéaire des valeurs à l’aide d’un réseau de triangles subdivisant la région où les points de mesure sont denses.

Les simulations numériques ont été effectuées par le programme à éléments finis ACQUA-ROCK sur un réseau bidimensionnel. On a testé trois modèles conceptuels différents: dans le premier, l’assise rocheuse est homogène et isotrope; dans le deuxième, les principales diaclases sont idéalisées sous forme d’un faisceau de diaclases réparties uniformément et d’extension illimitée, selon SNOW (1965); dans le troisième, l’assise homogène et isotrope est traversée par deux grandes diaclases, ainsi que par les forages, qui agissent comme des drains.

Une comparaison visuelle des données observées et simulées indique déjà que le niveau de la retenue détermine le modèle le plus adéquat. Pour les niveaux les plus élevées, l'influence des diaclases doit être prise en compte soit sous forme idéalisée selon Snow (modèle 2), soit sous forme de diaclases individuelles (modèle 3).

L’ensemble des données récoltées est rassemblé en annexe.

Technical Report NTB 90-09

Transmissivities and heads derived from detailed analysis of Siblingen 1989 fluid logging data

Résumé

Le forage de Siblingen a été effectué par la Société coopérative nationale pour l'entreposage de déchets radioactifs (Nagra) afin de déterminer les caractéristiques hydrauliques du socle dans le nord de la Suisse, dans la perspective d'un stockage sûr des déchets hautement radioactifs. Dans le forage de Siblingen, le socle cristallin a été étudié par de nombreux tests hydrauliques entre obturateurs et par des méthodes géophysiques. De plus, la section comprise entre 490 et 1522 m de profondeur a été étudiée à l'aide de nouvelles techniques d'analyse par diagraphie de fluide.

Les méthodes de diagraphie de fluide utilisées à Siblingen sont le débitmètre à moulinet simple SF (Spinner Flowmeter), le débitmètre à moulinet avec obturateur SPF (Spinner-Packer Flowmeter), le débitmètre à impulsion thermique avec obturateur HPPF (Heat-Pulse-Packer Flowmeter) et les logs combinés de conductivité électrique et de température (T/LF). Ce rapport présente les résultats détaillés des analyses de ces différentes méthodes indirectes. En premier lieu, ces méthodes permettent de déterminer les flux verticaux présents dans le forage en fonction de la profondeur. En outre le profil de conductivité électrique et de température permet la localisation individuelle des zones productives. Ces données sont ensuite analysées à l'aide d'équations hydrauliques fondamentales afin de déterminer les valeurs de transmissivité et de charge hydraulique des zones productives. Ces analyses ont été effectuées pour toutes les diagraphies adéquates. Chaque étape de l'analyse a été précédée d'une description complète de la méthode utilisée.

Un résumé des résultats obtenus (transmissivité et charge hydraulique) permet de comparer les différentes méthodes de diagraphie utilisées. Les résultats des méthodes de diagraphie sont ensuite comparés à ceux des essais hydrauliques entre obturateurs. En général les diagraphies ont reproduit les valeurs de transmissivités déterminées par essais hydrauliques avec des écarts inférieurs à un facteur 2. Les deux méthodes les plus performantes pour les conditions rencontrées dans le forage de Siblingen ont été la diagraphie de conductivité électrique et le débitmètre à impulsion thermique avec obturateur. Les méthodes de diagraphie n'ont pu reproduire avec exactitude les valeurs de charge hydraulique déterminées par les essais hydrauliques. Cependant les résultats se situent dans le domaine de variation des résultats obtenus par les essais hydrauliques.

L'utilisation des méthodes de diagraphie pour la caractérisation du socle cristallin a permis de définir avec satisfaction les principales zones perméables dans le forage de Siblingen (zones définies comme des formations ayant une transmissivité supérieure à 1E-9 m²/s). De plus ces méthodes ont permis la localisation, avec une précision de ± 1 m, de 13 zones productives différentes dans la section inférieur du cristallin (1000 à 1522 m). Les méthodes de diagraphie des fluides représentent une excellente alternative aux essais hydrauliques et permettent d'en optimiser l'usage. Enfin, la diagraphie de conductivité électrique permet d'identifier l'intervalle précis correspondant à chaque transmissivité calculée.

Technical Report NTB 90-08

Stripa Project
Water flow in single rock joints

Résumé

Une technique pour la réalisation de répliques transparentes de surfaces de joints naturelles a été mise au point pour l'étude des propriétés hydromécaniques de simples joints rocheux. Cinq exemples différents de joints ont été reproduits et étudiés. La distribution des ouvertures dans les joints a été obtenue par une méthode de mesure fournie par les répliques transparentes. Le principe à la base de cette méthode est qu'une goutte d'eau de volume donné, placée à l'intérieur d'un joint, va recouvrir une certaine partie de la surface dépendant de la dimension moyenne des ouvertures au point en question.

Des essais de circulation ont été exécutés sur ces mêmes répliques de joints. La tortuosité de l'écoulement et la vitesse le long des différents chenaux de circulation ont été déterminées par des injections de colorants dans l'eau circulant à travers les joints. Les ouvertures hydrauliques équivalentes déterminées à l'aide des essais de circulation se sont révélées être inférieures aux ouvertures mécaniques moyennes. Les vitesses d'écoulement varient fortement entre les différents chenaux dans le joint, dépendant de la distribution spatiale des ouvertures. Le degré de correspondance entre les surfaces des joints est un facteur important qui influence la propension des joints à former des chenaux.

Technical Report NTB 90-07

Grimsel Test Site
Geophysical methods for the detection of discontinuities ahead of a tunnel face
(épuisé)

Résumé

En 1988, la Cédra a entamé au Site d'Éssai du Grimsel (GTS) un programme de recherche et de développement sur les possibilités de prédiction de discontinuités, au-delà du front d'un tunnel, par des méthodes géophysiques (techniques radar et sismiques).

Ce programme a pour objectif d'accroître les connaissances préalables de la masse rocheuse, pour garantir une sécurité suffisante lors de la construction d'un tunnel. En effet, les risques encourrus aussi bien que les coûts consentis seront grandement réduits s'il est possible de détecter à l'avance les principales zones de failles que le tunnel va recouper.

Les études et les essais ont été définis en fonction d'un certain nombre de buts pratiques:

Les premières investigations se basent sur la banque de données existante du GTS, elles utilisent à la fois des données d'essais radar et des données sismiques récoltées lors d'un projet de tomographie. Bien que le dispositif et le mode d'acquisition des données aient alors été dimensionnés pour une application tomographique et que les données soient loin d'être idéales pour une étude de sismique réflection, il a été possible d'obtenir quelques résultats significatifs. On a pu attribuer certains des réflecteurs identifiés à des zones de failles et des filons de lamprophyres connus.

Les mesures radar ont donné de bons résultats dans les roches à haute résistivité électrique comme le granite ou le sel gemme, mais possèdent une profondeur de pénétration trop faible dans les roches électriquement conductrices comme les marnes et argiles. Les travaux de la Cédra portant principalement sur les roches sédimentaires au cours des prochaines années, nous avons décidé, au vu des premiers résultats, de concentrer nos efforts sur les méthodes sismiques plutôt que sur les méthodes radar.

A la suite de discussions avec plusieurs experts, il est ressorti que l'approche la plus appropriée, dans notre cas, serait un "Profil Sismique Vertical" (VSP) modifié, une technique bien connue dans la géophysique de forage. Dans notre cas, il aurait été plus suggestif d'appeler cette méthode "Profil Horizontal de Tunnel", mais puisque nous nous référons à des méthodes développées pour des forages, nous conserverons le nom de VSP. Pour une évaluation plus objective des résultats, on recommande d'effectuer également des mesures sismiques conventionnelles le long du tunnel.

L'optimisation du dispositif de test a été faite par des calculs théoriques (modèle à différences finies). Elle montre que dans un cas idéal la source et les récepteurs devraient être placés à une certaine distance des parois du tunnel. En pratique, ce n'est guère possible, car cela nécessiterait plusieurs forages disposés radialement par rapport à l'axe du tunnel. Le meilleur compromis entre l'optimisation théorique et les contraintes pratiques consiste à placer la source dans un forage radial à une distance d'au moins 4 m de la paroi du tunnel, et de placer les récepteurs directement sur cette dernière. Avec un tel dispositif, on pense réduire l'onde de surface du tunnel tout en maintenant une durée de mesures raisonnable. Toutefois, comme les mesures au GTS consistaient à expérimenter une méthodologie, on ne s'est pas contenté de tester le dispositif le plus prometteur en théorie. On a également testé d'autres configurations, pour confirmer la validité des résultats théoriques et optimiser le procédé opérationnel.

On a testé les configurations VSP suivantes:

En plus des mesures de type VSP, on a effectué un profil sismique conventionnel le long du tunnel, avec tirs sur la ligne de mesures (array). Les points de tir et les récepteurs étaient disposés avec un espacement respectif de 0.7 m, avec un décalage (offset) de 0.35 m entre le point de tir et le récepteur, correspondant à une distance entre des positions miroir ("Common Depth Point") de 0.35 m. Les sections brutes de tous les enregistrements n'ont révélé que de faibles réflections. Ceci est dû à la réflectibilité très faible des zones de failles au GTS, comparée à celle de sédiments stratifiés. En conséquence, le traitement a nécessité un grand nombre de paliers qui ne sont pas discutés en détail dans cet article. En général, les ondes directes P et S ainsi que les ondes S réfléchies ont été supprimées en utilisant un filtre bidimensionnel (median filter), tandis que les réflections P restantes ont été réhaussées par un filtrage spécial (Image Point Filtering), une méthode basée sur les transformations généralisées de Radon et développée par C. Cosma et ses collaborateurs à la société Vibrometric.

Pour clore ce projet, on a investi un grand effort dans le développement de techniques de transformation des résultats géophysiques en une image géologique non ambiguë et fiable. Les nombreuses études effectuées préalablement au GTS nous ont permis de comparer, au cours des différentes étapes du travail, nos prédictions géophysiques formulées en termes de structures avec l'information exhaustive disponible. On a constaté un excellent accord entre la localisation des structures prédites et celle des structures réelles. Nous avons pu identifier les discontinuités jusqu'à des distances d'environ 150 m.

La section de réflection conventionnelle a été établie en utilisant les procédures de traitement sismique standard. La profondeur d'investigation se situait aux alentours de 40 m seulement, à cause de la faible intensité du signal source (marteau manuel). Dans cet espace toutefois nous avons pu détecter un certain nombre de réflecteurs, principalement des filons de lamprophyre. De plus, nous avons obtenu de bonnes réflections d'une galerie proche. Bien que cet essai ait été couronné de succès, nous pensons que la configuration VSP représente un meilleur dispositif de mesure pour la prédiction.

Afin de tester la méthode dans un cas réel, nous avons effectué des mesures VSP dans le tunnel de Leissigen en août 1990, un tunnel routier alors en construction dans le canton de Berne. Nous avons utilisé les mêmes séquences de traitement que pour les essais antérieurs. Bien que la situation géologique et les conditions de travail aient été plus compliquées qu'au GTS, les prédictions obtenues ont bien reproduit les structures géologiques connues ou supposées sur le site du tunnel.

Technical Report NTB 90-05

Description and results of tracer tests conducted for a deep fracture zone within granitic rock at the Leuggern borehole

Résumé

Un programme d'essais de traçage a été élaboré pour le forage de Leuggern en vue de récolter des informations hydrogéologiques relatives aux zones fracturées traversées à une profondeur comprise entre 1634.9 et 1688.9 m. Dans leur conception initiale, ces essais consistaient à introduire une concentration uniforme du traceur dans le système étudié, puis à relever (en surface) la décroissance de cette concentration dans le fluide de circulation en circuit fermé. On pensait que l'analyse de la décroissance de concentration allait permettre de faire une estimation du flux latéral naturel ainsi que du gradient hydraulique latéral dans la zone isolée pour les essais. On prévoyait par ailleurs une phase d'écoulement artésien pour récupérer le traceur qui avait envahi la zone d'essais durant la phase initiale de circulation en circuit fermé. On pensait que l'analyse du taux de récupération du traceur allait permettre d'estimer la dispersion dans le système fracturé traversé par le forage.

A l'origine, l'essai de "dilution du traceur" était prévu avec une phase d'injection et une phase de récupération. Les résultats obtenus lors de l'injection d'un premier traceur (uranine) ainsi que lors de l'injection d'un second (éosine) ont toutefois montré qu'il y avait un gradient hydraulique vertical naturel dans la section de forage étudiée. Le programme d'essais original a été modifié en raison de l'existence de ce gradient hydraulique vertical et une troisième injection de traceur (naphtionate) a été entreprise, suivie de la phase de récupération des traceurs par écoulement artésien naturel.

L'ensemble du programme d'essais de Leuggern s'est déroulé du 5 juillet au 23 décembre 1988, les différentes phases d'injection/restitution de l'uranine, de l'éosine et du naphtionate allant respectivement du 5 juillet au 2 septembre, du 2 septembre au 31 octobre et du 31 octobre au 23 décembre 1988. A la fin de la phase d'injection du naphtionate, le 17 novembre, une phase d'écoulement naturel a été réalisée afin de récupérer les traceurs injectés durant les trois phases d'injection précédentes (1ère injection = uranine, 2ème = éosine, 3ème = naphtionate). Afin de faciliter la récupération des traceurs, l'écoulement s'est effectué par une vanne du tubage central, située au milieu de l'intervalle testé. La phase d'écoulement naturel a duré du 17 novembre au 23 décembre 1988. Durant ces 36 jours on a récupéré environ 62 % (12.9 grammes) du naphtionate, 47 % (8.7 grammes) de l'éosine et 49 % (38.3 grammes) de l'uranine, dans un volume total de 640'000 litres d'eau. Le débit d'écoulement a diminué au cours de l'essai, de 35 l/min au début à 11.2 l/min à la fin.

Les résultats des essais effectués dans cette section isolée du forage indiquent l'existence d'un écoulement vertical descendant de 195 – 225 ml/min environ entre deux horizons fracturés. D'après les "temps d'arrivée" lors des phases d'injection/restitution de l'éosine et du naphtionate le sommet de la zone d'exfiltration serait situé à environ 13 m au-dessous du tube d'écoulement supérieur et la zone d'infiltration se trouverait entre 3 et 5 m au-dessus du tube d'écoulement inférieur.

L'analyse des débits durant l'écoulement naturel et de la remontée de pression subséquente montre que la formation étudiée a un caractère de "double porosité". D'après l'analyse de la phase d'écoulement, les valeurs de transmissivité (T) et de coefficient d'emmagasinement (S) de la zone fracturée d'une part, de l'ensemble du système d'autre part (zone fracturée et matrice) sont respectivement T = 6.1 x 10^-5 et 6.4 x 10^-5 m²/s et S = 4.5 x 10^-5 et 1.5 x 10^-4. L'analyse transitoire de la remontée de pression permet une estimation de la transmissivité à 7.1 x 10^-5 m²/s, ce qui est très proche des résultats provenant de l'analyse des débits.

Technischer Bericht NTB 90-04

Zur Tektonik der zentralen Nordschweiz
Interpretation aufgrund regionaler Seismik, Oberflächengeologie und Tiefbohrungen

Résumé

Le présent rapport expose les méthodes d'interprétation et les résultats des campagnes de sismique réflection de la Cédra effectuées entre 1982 et 1984 dans la partie centrale du nord de la Suisse. L'aire d'étude couverte par le réseau des lignes sismiques est délimitée à l'ouest par Säckingen et Olten, à l'est par Schaffhouse et Zurich.

Socle

La structure et l'évolution du socle cristallin du nord de la Suisse ont été considérées dans le cadre de l'orogenèse varisque de l'Europe centrale, à l'aide des modèles de la tectonique des plaques, qui font intervenir une collision des continents au Dévonien supérieur - Carbonifère. Dans ce cadre élargi, on admet qu'en principe l'architecture et la composition du socle dans le nord de la Suisse sont similaires à celles observées en Forêt-Noire méridionale.

En ce qui concerne le socle cristallin du nord de la Suisse, les différentes phases de l'orogenèse varisque sont les suivantes:

Jusqu'ici, la sismique réflection n'a pas été en mesure de fournir des informations suffi­samment sûres sur la tectonique et la lithologie du cristallin. Par contre, les remplissages sédimentaires tardivarisques des dépressions et fossés peuvent être cartographiés par la sismique, en particulier leur structure tectonique. Les données disponibles, y compris celles des forages profonds de la Cédra, mettent en lumière une déformation cassante ancienne qui se développe profondément dans le socle cristallin, et qui a été réactivée au Tertiaire, influençant ainsi l'architecture actuelle du nord de la Suisse.

Fossés du Paléozoïque tardif

Dans la région étudiée, on peut identifier au moins deux fossés sédimentaires tardipaléozoïques orientés WSW-ENE: un fossé nord sous le Jura tabulaire (Fossé permocarbonifère du nord de la Suisse, FPN), et un fossé sud (le fossé d'Olten-Lenzburg) qui, en raison du manque de données, n'a pas été étudié de plus près.

En coupe, le FPN a la forme asymétrique d'un demi graben traversé dans sa partie centrale par plusieurs cisaillements dextres orientés WNW-ESE (par exemple les failles transversales de l'Eggberg et du Vorwald). Ces failles subdivisent le fossé en un compartiment ouest et un compartiment est, qui se distinguent par leur profondeur et par le regard de leur asymétrie. La sismique réflection révèle, principalement dans la région des failles transversales dextres, des plissements et des chevauchements dans le remplissage du fossé, qui sont interprétés comme le résultat d'une transpression saalienne au tournant du Permien inférieur vers le Permien supérieur. Au Permien tardif, les derniers signes de l'orogenèse varisque se reconnaissent dans tout le fossé par une subsidence différentielle en partie étendue, reconnaissable notamment par des failles normales peu inclinées.

La succession des événements tectoniques se reconnaît avant tout dans le remplissage sédimentaire du fossé, atteignant par endroits une puissance de 5 km:

La couverture mésozoïque et tertiaire

Les sédiments lagunaires et néritiques du Mésozoïque sont finement stratifiés. Ils ont été déposés dans une période de calme tectonique presque complet. Grâce à leur homogénéité latérale et leur différenciation verticale prononcée, ils peuvent être cartographiés en détail par la sismique réflection.

Au Muschelkalk inférieur, la transgression marine a eu lieu sur une pénéplaine presque parfaite (subhorizontale). La structure actuelle de cette pénéplaine (marqueur de la base du Mésozoïque) permet ainsi un examen détaillé de la déformation verticale totale du socle depuis le Trias. Cette déformation est surtout tertiaire. Un caractère marquant est le basculement régional du socle vers le SSE, dû aussi bien à la subsidence des dépressions sur le front alpin qu'au soulèvement de la partie méridionale de la Forêt-Noire. Ce socle basculé est affecté par un réseau de failles normales, lié à l'ouest à la tectonique paléogène du fossé rhénan supérieur, à l'est à un soulèvement et un basculement renouvelé. Le réseau de failles tertiaire s'est probablement développé en grande partie par réactivation d'un réseau de failles ancien, essentiellement paléozoïque.

Dans les parties centrale et occidentale de la région étudiée, les structures du socle sont oblitérées par celles du Jura plissé. Lors du plissement du Jura au Miocène tardif, la couverture sédimentaire, poussée par la pression du front alpin, s'est décollée du socle au niveau des évaporites du Muschelkalk moyen. Elle a été transportée plus ou moins vers le NW et plissée de manière disharmonique.

Jura tabulaire

Le Jura tabulaire reflète la tectonique du socle (situation au Paléogène -Miocène). Sur sa bordure méridionale, dans la région de transition au Jura plissé, la couverture sédimentaire a été affectée par une tectonique de décollement lors du plissement du Jura.

Les failles NNE-SSW du système rhénan dominent à l'ouest de Frick, alors qu'à l'est on trouve surtout des failles normales et des flexures orientées WSW-ENE et NW-SE, qui sont liées au soulèvement de la Forêt-Noire méridionale et à la subsidence du bassin molassique. Les déformations ont eu lieu de manière préférentielle par réactivation des systèmes de failles paléozoïques.

Lors de la poussée alpine, la couverture sédimentaire décollée a réagi de manière différenciée au système de failles préexistantes dans le socle:

Le Jura plissé

Le Jura plissé ne fait pas partie de la région étudiée en détail. La sismique réflexion effectuée par la Cédra a néanmoins permis une compréhension tectonique nouvelle de la partie orientale du Jura plissé:

Bordure nord du bassin molassique

Du fait du basculement régional du socle, l'épaisseur de la molasse augmente vers le sud. Dans la région étudiée, le style et l'intensité de la déformation tectonique du socle sous la partie septentrionale du bassin molassique sont comparables à ceux des Juras tabulaire et plissé voisins.

Dans la partie sud-ouest de la région étudiée, l'actuelle bordure nord du bassin molassique suit le pied du Jura plissé. La sismique réflection montre que l'on peut prolonger sous la bordure nord du bassin molassique certaines structures observées dans le Jura plissé. Des structures en écailles ont été observées principalement dans le Trias, tandis que dans les étages supérieurs (Jurassique et Tertiaire) on a identifié principalement de larges plis. Ainsi, on peut considérer la bordure nord du bassin molassique comme appartenant encore au Jura plissé (zone dite subjurasienne).

Dans les autres parties de la région étudiée, la bordure nord du bassin molassique jouxte le Jura tabulaire, dont le style de déformation et le réseau de failles se prolonge en général vers le SE sous la molasse. Il est intéressant de relever que la bordure nord du bassin molassique coïncide approximativement, à l'est de l'Aare, avec celle du Fossé permo-carbonifère du nord de la Suisse. Une relation génétique entre les deux bordures n'est ainsi pas à exclure.

Technischer Bericht NTB 90-03

Zur Tektonik des Südschwarzwaldes

Résumé

Ce rapport aborde essentiellement la déformation cassante dans le socle cristallin du sud de la Forêt-Noire. Au cours de l'étude sur la géologie structurale de cette région, on avait reconnu d'une part la nécessité d'améliorer la saisie des données à l'aide de nouveaux points de mesure, d’autre part le besoin d'avoir de meilleures informations quant au rôle des failles se trouvant dans le socle cristallin.

Ce rapport se concentre surtout sur le second objectif. C’est ainsi qu’il présente, dans une première partie, les bases de la tectonique des blocs et discute des modèles et séquences de développement correspondants. La description de discontinuités sélectionnées (décrochements, structures d’extension) complète la discussion générale à propos de la tectonique des blocs. On sélectionne, dans la mesure du possible, des exemples venant de la région de recherche, mais on cite aussi des descriptions tirées de la littérature, vu que dans le socle cristallin du sud de la Forét­Noire, seuls quelques cas pratiques peuvent voir leur géologie structurale être analysée à une profondeur suffisante.

Dans la seconde partie, on complète la discussion des aspects généraux de la déformation cassante du socle cristallin par des études géographiquement et thématiquement limitées: évaluation de données datant de l’époque de la construction de la centrale caverne de Wehr; étude régionale entre Waldshut et Grafenhausen, pour analyser le lien entre les éléments morpho-structuraux et la construction tectonique du socle; étude spéciale dans la région entre Hauenstein et Waldshut, pour montrer l'importance tectonique d’une série de vallées, de direction NNW-SSE. On aborde également les études spéciales sous l’angle de la recherche et de l'évaluation des données de géologie structurale, ainsi que sous l’aspect de leur extrapolation.

Technical Report NTB 90-02

Numerical modelling of the creep behaviour of clays with emphasis on tunnels and underground openings
A critical review of the state-of-the-art

Résumé

Ce rapport présente une vue d'ensemble et une évaluation critique de la situation actuelle de la modélisation numérique du comportement au fluage des argiles. Cet aperçu et cette évaluation se concentrent sur les applications relatives aux excavations souterraines. Sont abordées des observations de terrain et en laboratoire du comportement dans le temps, la modélisation du fluage et l'application numérique des équations représentatives. Une évaluation critique de l'aptitude des modèles actuels à prédire les aspects du comportement au fluage relatifs à la conception de dépôts finals pour déchets est présentée, complétée de suggestions destinées à améliorer les analyses qui pourraient être développées sur la base des technologies existantes.

Des observations relatives au comportement au fluage en laboratoire et dans le terrain sont passées en revue afin de dresser les éléments sur la base desquels on pourra évaluer l'aptitude des équations constitutives et des modèles numériques à reproduire les aspects importants des phénomènes de fluages d'argiles. On relève le manque de données relatives au fluage à long terme sous conditions de drainage. On attire aussi l'attention sur le manque de données significatives sur le fluage d'argiles rigides et de roches argileuses, sur l'effet de la température et sur le fluage sous conditions de drainage pour des situations autres que celles sous contraintes unidimensionnelles.

Des modèles heuristiques et mathématiques sont passés en revue. Les modèles heuristiques fournissent une base pour l'évaluation des paramètres nécessaires pour la mécanique en milieu continu. Des modèles mécaniques en milieu continu sont nécessaires pour une analyse numérique. Il a été démontré que, grâce à l'utilisation d'analyses itératives et par incréments, tout modèle mécanique d'un milieu continu visqueux, ou totalement dépourvu de viscosité, pouvait pratiquement être adapté pour prendre en compte le comportement dans le temps.

Les modèles numériques disponibles pour l'étude de problèmes géotechniques concernant des déformations par fluage sont passés en revue. Des modèles traitant du couplage thermomécanique sont également examinés. On cite des cas où une analyse incluant le fluage pour l'étude du comportement de prototypes a été utilisée. Le manque d'exemples bien documentés de déformations dans le cours du temps pour une durée significative représente toutefois un obstacle majeur à la vérification des modèles.

Des recommandations sont présentées pour une approche différente de la conception de revêtements intérieurs permettant de garantir le maintien de leur intégrité mécanique à très long terme.

Technical Report NTB 90-01

Grimsel Test Site
Grimsel colloid exerciese:
An international intercomparison exerciese on the sampling and characterisation of groundwater colloids

Résumé

L'Exercice des Colloïdes du Grimsel est un projet de comparaison qui consistait en une phase d'échantillonnage in-situ suivie d'une étape de caractérisation. Le but de ce benchmark, qui impliquait 12 laboratoires, est d'évaluer les techniques d'échantillonnage et de caractérisation avec une attention particulière pour la distribution de taille des colloïdes.

La phase d'échantillonnage a eu lieu au Laboratoire Souterrain du Grimsel entre le 1er et 13 février 1988 et les groupes y participant ont produit des échantillons de colloïdes en appliquant les méthodes suivantes:

Tous les échantillons ont été expédiés, selon le protocole arrêté au CoCo Club, pour caractérisation, avec une attention particulière pour la distribution de taille.

Alors que le transport et l'entreposage peuvent affecter les échantillons de colloïdes ainsi que la composition des phases non-filtrées, filtrées et concentrées de cette eau plutôt déminéralisée, la composition des éléments majeurs des échantillons fluides était comparable d'un groupe à l'autre. L'effet de la contamination de l'air diminuait cependant le pH de 9,6 à 8, augmentant par la même occasion la concentration en carbone inorganique total.

L'exercice différencie les échantillons de colloïdes produits au site de ceux obtenus après transfert des échantillons fluides au laboratoire de caractérisation. Les concentrations et distributions de taille des colloïdes ont été obtenues par microscopie électronique à balayage, gravimétrie, et analyse chimique des échantillons fluides après micro/ultrafiltration, comptage de particule par transmission. La concentration en colloïde était également évaluée par microscopie électronique à transmission, diffusion statique ou dynamique de lumière et par spectroscopie laser photoacoustique.

Dans l'eau du Grimsel, la concentration en colloïde (Ø > 10 nm) est approximativement de 10¹⁴ pt.l^-1 et pour Ø > 50 nm d'environ 10¹⁰ pt.l^-1, quoique les concentrations reportées varient d'un ordre de grandeur selon les groupes et techniques de caractérisation utilisées. Les particules (Ø > 450 nm) mesurées par microscopie électronique, gravimétrie et comptage de particule ont une concentration de l'ordre de 2 × 10⁷ pt.l^-1. En terme de masse, les concentrations respectives en colloïde et particule sont de 50 et 100 ppb respectivement et la concentration totale est de 200 ± 100 ppb.

Les colloïdes sont constitués de silice, illite/muscovite, biotite, silicate de calcium et de matière organique. Une population d'environ 10⁶ bactéries par litre est aussi présente. Les particules sont chargées négativement in-situ.

Ces résultats sont discutés sur base des limites de détection, résolutions latérales et conditions de comptage des techniques (précision) aussi bien que de la préparation des échantillons, de la production d'artéfacts et de l'optimisation des mesures (exactitude). Une bonne cohérence est remarquée lorsque les résultats de microscopie électronique, gravimétrie et comptage de particule sont comparés pour les échantillons originaux.

Les principales recommandations sont: le besoin d'échantillonnage in-situ, de recherche de l'origine de la production potentielle d'artéfacts (p.ex. rétention d'ion, agrégation, ...) et de source de contamination durant la production des échantillons. La combinaison de technique est finalement recommandée en vue de contrôler qu'aucune interférence n'affecte l'analyse des colloïdes.

Technical Report NTB 89-28

Numerical modelling of gas migration at a potential repository for low- and intermediate-level nuclear wastes at Oberbauenstock, Switzerland

Résumé

Les influences hydrologiques du dégagement de gaz corrosifs d'un éventuel dépôt pour déchets de faible et moyenne activité à l'Oberbauenstock sont étudiées à l'aide de simulations numériques. Une coupe verticale schématique à deux dimensions à travers la montagne est modélisée par le simulateur TOUGH qui décrit la circulation de deux phases, eau et gaz, dans des milieux poreux et fracturés. Deux cas de référence sont considérés, représentant la formation respectivement comme un milieu poreux et un milieu poreux fracturé (doubles perméabilités). Les deux cas prédisent des élévations de pression similaires et plutôt modestes au niveau du dépôt final, soit de 10 à presque 25 bars à partir de l'ambiance. Ces résultats doivent toutefois être considérés comme préliminaires car d'importants paramètres affectant la circulation de deux phases, telles les perméabilités relatives d'un milieu fracturé, ne sont pas encore biens connus à ce jour.

Technical Report NTB 89-27

Interpretation of the tracer testing conducted in the Leuggern borehole

Résumé

Des essais de traçage ont été effectués dans le forage de Leuggern entre juillet et décembre 1988, dans le but d'évaluer les propriétés hydrauliques de la roche d'accueil dans le cristallin. La section testée, d'une longueur de 50 m, se situe dans une zone fracturée du cristallin, à une profondeur supérieure à 1'600 m.

Les essais ont été effectués en trois périodes "d'injection-restitution" des traceurs (uranine – 44 jours, éosine – 30 jours, naphtionate – 14 jours) avec des débits de circulation des traceurs de 25 à 50 ml/min. Les traceurs étaient injectés par l'un des deux tubes d'écoulement de 1/4" situés au sommet et à la base de l'intervalle, et étaient récupéré par l'autre. Après les trois périodes d'injection des traceurs, un essai de restitution a été entrepris par le tubage central en utilisant le débit d'exfiltration naturel de 12 l/min en moyenne. Cet essai a été effectué grâce à un orifice du tubage situé environ au milieu de l'intervalle. Les données récoltées pendant ces essais ont compris l'enregistrement en continu de la conductibilité électrique et des mesures ponctuelles de débit, de conductibilité électrique, de température du fluide et de concentration du traceur.

Les résultats des essais effectués dans cette section isolée du forage indiquent l'existence d'un écoulement vertical descendant de 195 – 225 ml/min environ entre deux horizons fracturés. D'après l'analyse du taux de dilution de l'uranine et de l'éosine pendant les phases "d'injection-restitution", et en se basant sur les résultats des données de terrain, le sommet de la zone d'exfiltration serait situé à environ 13 m au-dessous du tube d'écoulement supérieur et la zone d'infiltration se trouverait entre 3 et 5 m au dessus du tube d'écoulement inférieur. La transmissivité calculée à partir du rabattement et du débit mesurés lors du dernier essai de restitution est de 6E-05 m²/s, ce qui concorde avec les résultats obtenus par les essais hydrauliques avec obturateurs. La valeur de la porosité efficace a été déterminée à 0.1. Le coefficient de dispersion se situe entre 1.0 et 5.0 m. Le gradient hydraulique horizontal déterminé à partir de l'analyse de restitution du traceur lors de la phase d'écoulement naturel serait localement située entre 0.001 et 0.0.

Technischer Bericht NTB 89-26

Bohrlochversiegelung
Konzept und Machbarkeitsnachweis

Résumé

Ce rapport examine tout d'abord les critères de scellement des trous de forage pour en déduire les exigences auxquelles doivent satisfaire les matériaux de colmatage. Le concept de scellement prévoit l'utilisation de bouchons en plusieurs éléments, subdivisés en zones de verrouillage et en zones intermédiaires. Les zones de verrouillage sont prévues dans les régions solides du forage ne présentant que peu de fissures; elles doivent constituer des barrières efficaces, empêchant le forage d'avoir un effet de drainage. Comme matériau de colmatage on considère pour ces zones de verrouillage une bentonite fortement compactée, sous forme d'un cylindre de diamètre voisin de celui du forage ou encore sous forme de billes ou de tablettes. Pour les zones intermédiaires on utilise du ciment.

Une étude des publications traitant de ce sujet a montré que dans la plupart des essais faits jusqu'ici, on a utilisé du ciment ou de la bentonite comme matériaux de colmatage, des résultats prometteurs ayant été obtenus avec chacun d'eux.

Pour la mise en place du bouchon on propose l'utilisation ou bien d'un dispositif de montage spécifique ou bien d'une grille métallique enveloppante, sous forme d'un tube percé. Cette dernière méthode est d'application plus simple mais a pour conséquence de laisser un corps étranger dans la zone de verrouillage. On cherche à obtenir une densité sèche de la bentonite, après gonflement dans le trou de forage, qui ne soit pas inférieure à 1.3 Mg/m³. Ceci implique des dimensions limitées pour l'espace annulaire compris entre le cylindre de bentonite et la paroi du trou de forage, dépendant de la densité initiale de la bentonite et du diamètre de forage. Cet espace annulaire peut toutefois être quelque peu augmenté par l'utilisation d'une boue de bentonite. On manque encore de résultats expérimentaux suffisants pour l'utilisation de bentonite sous forme de billes ou de tablettes ainsi que sur des processus de mise en œuvre garantissant la densité sèche finale minimum requise.

On ne peut envisager qu'un contrôle de qualité indirect, consistant à démontrer, par des essais, qu'en utilisant un processus de mise en place du bouchon donné, on atteint bien la fonction de scellement recherchée. Dans un dépôt final on ne pourra que contrôler le respect du processus de mise en œuvre et les quantités de matériaux utilisées.

Pour terminer, il est montré que la zone de verrouillage prévue constitue une obturation efficace au passage de l'eau, malgré la perméabilité accrue de la zone de désagrégation entourant le trou de forage, permettant de satisfaire les exigences requises pour un scellement.

Technischer Bericht NTB 89-25

Nachweis von tektonischen Störungen in 2 Bodengasprofilen in der Nordschweiz

Résumé

Dans le Jura tabulaire à l'est de Bâle, on a testé, sur deux profils de 1,3 kilomètre de long environ chacun, la possibilité d'identifier par la géochimie, au moyen de gaz du sol, des accidents tectoniques. Il s'agissait de déterminer si des analyses de gaz à plusieurs composantes sont adaptées à la mise en évidence rapide d'accidents tectoniques et d'optimiser les méthodes de mesure.

En introduction, le rapport donne des informations sur l'origine des gaz du sol les plus importants. Il décrit ensuite le principe de l'essai sur le terrain, la méthode ainsi que les instruments de mesure. Il réserve enfin une grande place à la présentation des résultats, à la discussion et aux comparaisons des données bibliographiques.

Les profils de gaz du sol ont été placés à travers la faille de Rheinfelden (profil de Rheinfelden) et la zone d'accidents de Zeiningen (profil de Zeiningen). Toutes deux présentent un caractère régional ainsi que des rejets inclinés (dip slip) de quelques centaines de mètres. D'éventuelles indications géomorphologiques de mouvements récents des deux accidents ne sont pas connues, bien qu'une activité néotectonique dans la région de Rheinfelden/Zeiningen soit probable.

Les échantillons de gaz ont été prélevés à l'aide d'une sonde de pénétration. On a d'abord prélevé sur les deux profils des échantillons distants de 100 mètres les uns des autres (= profils non concentrés). Au cours d'une étape ultérieure, on a pu mieux cerner les anomalies de gaz constatées par le biais de prélèvements de gaz sur des points intermédiaires.

Les analyses de gaz ont comportées la recherche des concentrations des composantes suivantes: hydrocarbures de C₁ (méthane) à C₅ (pentane), CO₂, He, H₂, N₂ et O₂. Ces mesures ont été faites à l'aide de deux chromatographes à phase gazeuse, dans un simple laboratoire de terrain. La teneur en H₂S a pu être déterminée par une méthode rapide (Dräger). Parallèlement, aussi bien la température de l'air que celle du fond de trou, à une profondeur de 1.2 mètres, ont été mesurées. La teneur en Rn (radon) a été déterminée le long des deux profils, au moyen de α-cups (= films qui enregistrent, pendant plusieurs semaines, le rayonnement alpha rencontré). Pour avoir des informations sur l'origine des hydrocarbures et du CO₂, on a prélevé des échantillons pour des analyses isotopiques, en un point de mesure situé dans la zone de la faille de Rheinfelden.

Les analyses ont montrées que la méthode choisie permettait de bien localiser les accidents connus les plus importants. De plus, quelques accidents présumés ont pu être confirmés et d'autres découverts pour la première fois. Pour identifier les accidents, ce sont surtout les gaz CH₄, C₂ à C₅, H₂ et les rapports CO₂/O₂ et N₂/O₂ qui se sont avères avoir une importance diagnostique. Les concentrations de gaz He et H2S, auxquels on attache aussi une importance diagnostique, sont malheureusement constamment restées inférieures aux limites d'identification (10, respectivement 1 ppm).

Dans la mesure où l'inventaire détaillé complet des accidents d'une région doit être dressé et qu'il faut avoir des résultats sur le tracé latéral des structures, l'interconnexion de nombreux profils de gaz du sol est nécessaire. La méthode dont il est question dans ce rapport semble relativement longue et coûteuse pour ce genre d'application. Mais elle pourrait être sans cesse adaptée aux nouveaux résultats obtenus, ne serait-ce qu'au cours d'autres recherches plus vastes, ce qui minimiserait la dépense. Bien qu'il faille généralement escompter les meilleurs résultats lorsqu'on dispose de la combinaison du plus grand nombre de gaz possible, des essais préliminaires réalisés dans une région dans certaines conditions (homogénéité lithologique, accidents de même type, etc.) pourraient permettre de diminuer, de manière systématique, également le nombre des paramètres mesurés.

Technical Report NTB 89-24

STRIPA PROJECT
ANNUAL REPORT 1988

Résumé

Le projet de Stripa est un projet de l'Agence de l'OCDE pour l'Energie Nucléaire. C'est dans le cadre d'une troisième phase de ce projet allant de 1986 à 1991, que des travaux de recherches sont réalisés avec une participation internationale, dans un laboratoire souterrain de Suède. Il s'agit d'effectuer les travaux ci-dessous, en mettant en application ce que l'on a appris au cours des précédentes phases 1 et 2:

Technical Report NTB 89-23

Stripa Project
Site characterization and validation Stage 2
Preliminary predictions

Résumé

Le projet de caractérisation et de validation de sites (SCV) est élaboré pour évaluer le niveau de qualité avec lequel nous pouvons caractériser un massif rocheux avant d'y aménager un dépôt final. Le programme de travail s'attache à la validation des techniques utilisées pour la caractérisation des sites. Le projet SCV comprend 5 étapes de travail s'articulant en deux "cycles" de collection des données, prédiction et validation. La première étape de travail comprenait l'exécution de 6 forages (N2, N3, N4, W1, W2 et V3) ainsi que des mesures géologiques, sismiques, hydrogéologiques, de contraintes et par radar, le levé des caractéristiques des fractures et de diagraphies géophysiques de forages particuliers.

La roche du site SCV est du granite avec de faibles variations lithologiques. Sur la base de mesures sismiques et par radar essentiellement, 5 "zones de fractures" ont été identifiées, baptisées GA, GB, GC, GH et GI. Elles s'étendent toutes sur la totalité du site SCV. Elles se subdivisent fondamentalement en deux groupes (GA, GB, GC et GH, GI). Celles du premier groupe sont alignées N40°E avec un pendage de 35° vers le Sud. Le second groupe est aligné approximativement N10°W avec un pendage de 60°E.

L'analyse stochastique des données de joints a permis d'identifier trois orientations principales pour les groupes de fractures. L'orientation de deux de ces groupes correspond grossièrement avec l'orientation des éléments principaux. Le groupe B a approximativement la même orientation que GH et GI, tandis que les éléments GA, GB et Ge ont une orientation similaire à celle du groupe C qui est défini de façon plus vague. L'orientation du troisième groupe (A) est Nord-Ouest avec un pendage vers le Nord-Est.

On trouve que 94 % de toute la transmissivité hydraulique ne concerne que 4 % de la roche étudiée, la totalité de cette transmissivité "concentrée" ne se situant pas entièrement dans les éléments principaux définis par la géophysique. Lorsqu'on examine les connections hydrauliques à travers le site, on constate qu'il y a plusieurs zones bien définies qui permettent la transmission rapide de signaux hydrauliques. Elles vont essentiellement du Nord­Est au Sud-Ouest.

Technical Report NTB 89-21

Biospere modelling for a deep radioactve waste repository
Site-specific consideration of the groundwater-soil pathway

Résumé

Les évaluations de scénario ont indiqué que le relâchement de radionucléides d'un dépôt final souterrain vers la biosphère aurait lieu le plus probablement par des nappes d'eaux souterraines. Ce rapport considère une petite vallée dans une région dans le nord de la Suisse où le transport d'eaux souterraines vers la surface serait possible. La situation hydrologique a été étudiée pour déterminer un système de compartiments et de fluxs en vue de la modélisation de telle voie d'acheminement.

Sur la base des conditions actuelles, les concentrations de radionucléides dans le sol ont été estimées en subdivisant le sol en deux couches (sol profond, sol en surface). On hypotise un flux montant des eaux souterraines de 10 mm par an à travers ces deux couches. En considérant que dans la situation réelle la plus probable sera qu'aucune eau souterraine ne parviendra dans le sol de surface, on conclue que cette estimation est conservative. L'estimation des concentrations maximales et minimales de radionucléides dans le sol résultent de la variation de trois paramètres clés, à savoir: l'exédence des précipitations, le flux d'eau ascendant et les coefficients de sorption (K_d) du sol. On relève qu'il faut prêter attention aux relations fonctionnelles existantes entre les différents paramètres du modèle. L'estimation des concentrations maximales dans le sol de surface est déterminée en considérant un flux montant annuel plus élevé (100 mm) ainsi que des coefficients K_d plus conservatifs que pour le cas de base. Cela donne des concentrations dans le sol de surface supérieures de plus de deux ordres de grandeurs par rapport aux valeurs de l'estimation de base. Les estimations minimales donnent des concentrations nulles puisqu'on présume, d'après la situation réelle, qu'il n'y a pas de flux d'eau ascendante. Le rapport inclue deux appendices.

Le premier présente les calculs pour le scénario B6b effectués dans le cadre de l'étude BIOMOVS pour la région de Mol en Belgique. L'autre présente une évaluation de la signification de la montée par capillarité d'eaux souterraines en Suisse, élaborée sur la base de cartes d'utilisation des sols.

Technical Report NTB 89-20

Biosphere modelling for a deep radioactive waste repository:
Treatment of the groundwater-soil pathway

Résumé

Les effets du transport de radionucléides provenant d'eaux souterraines peu profondes jusqu'à la surface sont modélisés dans ce rapport. Dans ce modèle le sol a été représenté par deux couches, l'une au dessus de la nappe d'eaux (1 m), l'autre comprenant la zone des racines (0.25 m). L'ampleur du mouvement ascendant des solutions est évaluée pour une région du nord de la Suisse.

Les concentrations de ²³⁷Np et ¹²⁹I dans le sol en profondeur et en surface, et donc dans les cultures, sont calculées pour un cas de référence. Un certain nombre de variations paramétrique est considéré, telle que la réduction de l'infiltration, la diminution du débit des eaux souterraines, la variation de la sorption (retardation) ainsi que la réduction de la zone de collection d'eau dans une plus petite région dans le nord de la Suisse. Parmi les paramètres considérés, c'est la répartition entre les phases solides et liquides dans le sol qui conduit à la plus grande incertitude globale.

Les résultats des calculs du cas de référence et des incertitudes qui lui sont associées, sont également présentés pour le scénario de contrôle B6 (transport d'eaux souterraines contaminées vers le sol) de l'étude internationale de «Biosphere Model Validation Study» (BIOMOVS).

La dose reçue par l'homme par le cheminement eaux souterraines – sol – culture – hommes est évaluée pour la chaine ²³⁷Np – ²³³U – ²²⁹Th en utilisant le terme source du Project Gewähr 1985. Ces résultats sont comparés avec les doses précédemment calculées. Le modèle plus réaliste (sol à deux couches), met en évidence l'importance prédominante de la voie «eau potable». Toutefois, pas tous les cheminements critiques n'ont pas été traités dans cette étude au même degré de conservativité.

Technical Report NTB 89-19

Experiments on container material for Swiss high-level waste disposal projects Part IV

Résumé

L'un des concepts de stockage définitif des déchets de haute activité en Suisse consiste en un dépôt final implanté à une profondeur de 1000 à 1500 m dans le socle cristallin du nord de la Suisse. Les déchets seraient enfermés dans des conteneurs qui devraient constituer des barrières de haute intégrité durant 1000 ans au moins.

Le présent rapport est le quatrième et dernier de la série en cours relative à l'évaluation des matériaux potentiels pour la réalisation de ces conteneurs. Dans le premier de ces rapports quatre matériaux avaient été retenus pour une évaluation plus poussée, à savoir l'acier coulé, la fonte nodulaire, le cuivre et le Ti-code 12. Le cuivre et l'acier coulé ont fait l'objet d'une évaluation supplémentaire, sans préjudice à l'égard des qualités techniques des deux autres matériaux. La plus grande partie des travaux expérimentaux se sont concentrés sur ce dernier matériau, les données relatives au cuivre étant plus complètes.

Les principaux efforts ayant jusqu'ici fait l'objet de rapports se sont appliqués à démontrer que les taux de corrosion généralisé et local de l'acier coulé dans des eaux souterraines des types prévus étaient acceptables. On s'attend à trouver des taux de corrosion à long terme inférieurs à 20 μm/a et des conditions telles que d'importantes variations locales des taux de corrosion ou la formation de crevasses soient peu probables.

Le présent rapport traite deux autres aspects très importants. Le premier était de démontrer que des conteneurs en acier coulé ne seraient pas menacés par corrosion sous tension. Le second concerne l'évolution de l'hydrogène produit par la réduction de l'eau; l'hydrogène produit par la corrosion peut constituer un problème s'il est formé plus rapidement qu'il ne peut s'échapper par diffusion comme substance en solution, si par exemple il forme des poches ou bulles de gaz qui pourraient entraîner une augmentation de pression ou modifier le processus de transport dans le champ proche par des phénomènes de déplacement, de dégazage ou de force ascensionnelle.

Les résultats expérimentaux sur des échantillons préalablement fissurés n'ont pas révélé de susceptibilité de l'acier coulé à la corrosion sous tension dans des conditions modélisant un dépôt final. On n'a pas détecté de croissance de fissures sur des échantillons DCB exposés sous conditions aérobies et anaérobies dans des eaux souterraines de 80 et de 140°C durant 16 – 24 mois. Cela suggère que le taux de croissance de fissures maximum possible se situe en dessous de 0.1 mm/a ou que les durées d'incubation sont exceptionnellement longues dans toutes les conditions d'essais considérées. Les résultats des essais à taux de déformation constant démontrent la possibilité que les inclusions aient une influence sur le comportement en corrosion sous tension. L'acier coulé est retenu comme matériau candidat pour la réalisation de conteneurs pour déchets de haute activité.

Ainsi qu'on s'y attendait suite à des considérations thermodynamiques, on n'a pu détecter d'hydrogène provenant de cuivre immergé dans des eaux souterraines modèles à 50°C.

De l'hydrogène est dégagé par la corrosion de l'acier sous conditions anaérobies. Le taux de dégagement le plus élevé, sous conditions d'équilibre dans une eau souterraine modèle, était de 2,5 ml (NTP) m^-2 h^-1 à 50°C pour l'eau modèle de Böttstein, ce qui correspond à un taux de corrosion de 7 μm/a; il était plus faible à 25°C comme à 80°C. On a toutefois obtenu des valeurs plus élevées dans des boues de bentonite diluées. Le taux d'évolution d'hydrogène est indépendant de la teneur en chlorures pour des concentrations de 0 à 8000 mg/litre, mais il diminue d'un facteur 10 lorsque le pH passe de 7 à 10.

L'évolution d'hydrogène causée par la corrosion du fer ou de l'acier dans un dépôt final pour déchets radioactifs doit être prise en compte dans toute analyse de sûreté: les quantités produites peuvent être significatives.

Ce rapport met un point final à la phase présente des essais de corrosion conçernant les dépôts finals suisses pour déchets de haute activité. Les résultats obtenus à ce jour suggèrent que l'acier coulé, ainsi que le cuivre, conviennent comme matériaux pour la réalisation de conteneurs. Comme le comportement en corrosion des deux matériaux dépend des conditions de service, particulièrement de la durée de la phase aérobie, du chimisme et de la température de l'eau souterraine, des essais complémentaires devraient être entrepris lorsqu'un site spécifique aura été identifié.

Technical Report NTB 89-18

Interpretation of hydraulic testing at the Kaisten borehole

Résumé

Ce rapport présente les résultats des interprétations hydrogéologiques de tous les essais avec obturateurs (simple, doubles ou H-Logs) effectués avec succès dans le forage de Kaisten. Les méthodes de test ainsi que celles d'analyse sont également décrites dans ce rapport. L'analyse des données a été effectuée avec le programme GTFM ('Graph Theoretical Field Model'), ce qui a permis de considérer dans les simulations des facteurs tels que l'histoire des pressions dans le forage et les variations de température au cours du test.

Les pressions de la formation (et les niveaux piézométriques correspondants calculés pour une colonne d'eau douce) ont été déterminées pour neuf des intervalles testés. Dans les unités sédimentaires, les niveaux piézométriques d'eau douce sont situés à 296.8 m s.m. pour le Buntsandstein et 323.7 m s.m. pour le Permien. Dans la partie supérieure du cristallin, les niveaux piézométriques d'eau douce déterminés aux profondeurs de 310.38 m et 482.5 m sont respectivement situés à 322.5 m s.m. et 324.6 m s.m. Dans la partie inférieure du cristallin, entre 818.86 m et 1276.6 m de profondeur, le niveau piézométrique d'eau douce se situe entre 345.8 m s.m. et 351.0 m s.m.

Les coefficients de perméabilité ont été estimés pour 53 intervalles de test. Les coefficients de perméabilité déterminés pour le forage de Kaisten se situent entre 1.0E-06 ms^-1 approximativement et moins de 1.0E-12 ms^-1. Environ 60 % des intervalles testés se caractérisent par un coefficient de perméabilité supérieur ou égal à 1.0E-09 m^-1. Ces zones à coefficient de perméabilité élevé se rencontrent dans toutes les parties du forage. Le plus long tronçon de forage présentant un coefficient de perméabilité moyen à faible (moins de 1.0E-10 ms^-1) mesure 137 m. Il est situé approximativement entre 666 m et 803 m de profondeur.

Une valeur de base de 2.1E-08 m^-1 a été utilisée pour le coefficient d'emmagasinement spécifique lors de l'interprétation des tests effectués dans le cristallin. Des analyses de sensibilité ont été conduites afin de déterminer l'effet induit par des variations du coefficient d'emmagasinement spécifique sur le choix de la meilleure estimation du coefficient de perméabilité. Lors de ces analyses de sensibilité, le coefficient d'emmagasinement spécifique a été augmenté de deux ordres de grandeur. Pour les intervalles de test caractérisés par un coefficient de perméabilité supérieur à 1.0E-09 ms^-1, la variation du coefficient d'emmagasinement spécifique n'a induit aucune modification significative du coefficient de perméabilité. Pour les intervalles de test caractérisés par un coefficient de perméabilité inférieur à 1.0E-11 ms^-1, l'augmentation du coefficient d'emmagasinement à 2.1E-06 m^-1 a eu pour effet de diminuer le coefficient de perméabilité d'un demi ordre de grandeur.

Technical Report NTB 89-17

Reduction spheres in hematitic rocks from Nortern Switzerland:
Implications for the mobility of some rare elements

Résumé

Les sphères de réduction sont de petits systèmes redox isolés apparaissant dans des roches tachetées d'hématites d'âges, d'origines et de provenances variables. Des sphères de réduction des couches rouges du permo-triasique continental ainsi que du socle rocheux du Nord de la Suisse ont été étudiées sur le plan minéralogique et géochimique. Plus de 40 minéraux authigènes apparaissent dans les sombres cœurs minéralisés de ces sphères. Les minéraux les plus communs sont roscoelite, uraninite et des arséniures de nickel, mais on a également trouvé des minéraux contenant les métaux précieux Ag, Au, Pd et Pt ainsi que des séléniures et des uraninites riches en terres rares. Les sphères lixiviées sont appauvries en ions ferritiques en raison de la dissolution de l'hématite. Des calculs de bilans de masses montrent que seule une très faible partie des éléments traces présents dans la masse rocheuse a été mobilisée durant la formation du halo. Les mobilités relatives sont: As > U > Ni > V. Les éléments précipités sous forme de minerais dans le cœur des sphères de réduction ont probablement été relâchés d'hydroxydes de fer lors de leur altération en hématite. Les couches rouges contenant des halos de réduction sont généralement riches en As (100 ppm) par rapport aux couches sous-jacentes réduites contenant moins de 5 ppm d'As. La formation des halos de réduction a eu lieu durant le Mésozoïque à des profondeurs de 500 à 1100 m. Les eaux interstitielles étaient fortement salines. Des matières organiques d'origine inconnue ont réagi avec des ions dissous de haute valence et de l'hématite en des points discrets distribués au hasard dans les roches et ont causé la précipitation locale d'éléments rares sous forme de minerais ainsi que la dissolution de l'hématite. La migration des éléments fut diffusive. L'oxydation des matières organiques et la précipitation de minerais ont probablement été catalysées par des bactéries, les sulfures ayant été formés par la réduction in situ à basse température (< 100°C) de sulfates. Les sphères de réduction peuvent être utilisées pour dater et situer quantitativement les mobilités des éléments durant la diagenèse des couches rouges. La signification géologique de leur présence n'est pas encore comprise.

Les sphères de réduction livrent des informations qualitatives sur les mobilités des divers éléments dans un environnement similaire à celui d'un éventuel dépôt final pour déchets radioactifs dans le Nord de la Suisse. Le transport diffusif d'U, de terres rares, de Pd et de bien d'autres éléments sous conditions oxydantes est évident de même que leur immobilisation due à des conditions réductrices extrêmement locales. De très fortes concentrations de gradients d'U et d'autres éléments aux frontières redox se sont maintenues durant 10⁸ années approximativement.

Technical Report NTB 89-16

Grimsel Test Site
Hydrologic modelling of the migration site at the Grimsel Test Site
The steady state

Résumé

Tracer migration experiments are in progress at the Grimsel Test Site (GTS) in order to test radionuclide transport models and to develop appropriate experimental techniques. In order to assist design and to interpret field tracer tests the knowledge of the hydrology of the site is essential. This report describes the hydraulic modelling efforts with the following objectives: 1) to interpret experimental findings. 2) to provide input, such as flowpaths and flow velocities, for transport modelling. 3) to assist in the design of the tracer experiments. The model concept is based upon the observations, that the fracture, where the migration experiments will take place, is relatively planar, has an average aperture of a few millimetres and is filled with a clayish material: The migration fracture is modelled as a two-dimensional, isotropic, heterogeneous equivalent porous medium. To allow for a sufficiently detailed model a hierarchical approach was followed where the boundaries for the "Iocal" model, i.e. the model in the vicinity of the migration site, were taken by first solving a larger "regional" model with coarser discretization. Transmissivity values as extracted from single borehole tests were used for definition of the heterogeneous transmissivity field in the model calculations. Model results for hydrostatic pressures and discharge rates compare favourably with experimental data, even though some problems remain to be resolved. Calculations for dipole arrangements have been performed; they turned out to be useful tools for deciding on injection- and withdrawal rates to be applied in the migration experiments as well as for qualitatively estimating tracer recovery rates.

Technical Report NTB 89-15

Grimsel Test Site
Hydrogeological characterisation of the migration experimental area at the Grimsel Test Site

Résumé

Dans une simple fissure du Laboratoire Souterrain du Grimsel, des essais de migration sont étudiés en matrice rocheuse granodioritique. Le but de ces essais est de valider les modèles de transport des radionucléides et de développer des techniques expérimentales. Ce rapport décrit le site choisi pour les essais de migration et présente l'instrumentation originale.

Les vitesses d'écoulement de l'eau qui entre dans le tunnel ont été estimées dans quatre différentes zones fissurées (lamprophyres et zones mylonitisées). D'après ces estimations, la location AU96m a été choisie parce qu'elle se présente favorablement pour les essais de migration. Cette fissure mylonitique était cependant prèsqu'inconnue en ce qui concerne la caractérisation hydrogéologique à l'échelle de 10 × 10 m. C'est pourquoi cette zone a été exploré à l'aide de forages. Dix forages ont prouvé que la fissure est un élément presque plan dans le massif saturé. Huit de ces forages produisent suffisamment d'eau pour mesurer la pression hydrostatique et pour échantillonner de l'eau. La plupart des forages sont équippés d'un système d'obturateurs triples qui isolent la fissure à l'entrée du forage. Des essais hydrauliques passifs ont prouvé qu'il existe une connexion hydraulique entre les zones mylonitiques atteintes par les forages et que la transmissibilité de la fissure est d'environ 0.6 m²/j. L'étude à long terme a montré une décroissance de la pression hydrostatique d'environ 0.08 bar/a, ce qui indique que le système hydraulique n'a pas encore atteint complètement un état stationnaire.

Des feuilles en matière plastique ont été fixées à la paroi du tunnel, à l'intersection avec la fissure. Ces feuilles permettent de mesurer le débit d'eau qui est environ 0.5 l/min, au site de migration. Lors de l'observation de phénomènes d'écoulement pendant les forages, et lors du remplacement de l'eau du site par une eau d'une composition différente pendant des essais injection – extraction, la vitesse d'écoulement a été estimée de l'ordre de quelques mètres par heure. La concentration en Tritium s'est montrée d'être sous la limite de détection. Les auteurs concluent que le volume du réservoir d'eau, qui s'écoule vers le tunnel au site de migration doit être grand (plus de 200 m³). La fissure est probablement reliée à une importante zone de cisaillement.

Technischer Bericht NTB 89-14

Mikrobieller Abbau von Bitumen

Résumé

On utilise le bitume pour immobiliser certains déchets radioactifs de faible et moyenne activité. Comme l'on ne saurait exclure la présence de microorganismes dans un dépôt final, il est important de pouvoir quantifier les effets de la dégradation microbienne du bitume. Des essais ont été menés à bien aussi bien sous conditions anaérobes qu'aérobes en utilisant plusieurs cultures différentes. On a observé que les microorganismes capables de dégrader le bitume sont omniprésents et forment des biofilms à la surface du bitume. On a constaté que le taux de dégradation du bitume est essentiellement indépendant de la culture inoculée au début de l'essai: sous conditions aérobes, ce taux se situe entre 20 et 50 g de bitume par m² et par année; il en résulte un taux de production de CO₂ de 15 à 40 litres à STP par m² et par année. Sous conditions anaérobes, le taux de dégradation se monte à environ 1 pour cent des valeurs ci-dessus. En extrapolant les résultats sous conditions anaérobes et en faisant l'hypothèse que le rapport surface/volume du bitume est d'un ordre de grandeur typique pour les déchets radioactifs (fûts de 200 litres), on obtient un taux de perte de matrice de bitume de l'ordre de 0,3 à 0,8 pour cent par 1000 ans.

Technical Report NTB 89-13

Subcritical crack growth in hot-isostatically postcompacted high-grade alumina

Résumé

On a étudié à 70°C dans une solution saline concentrée le comportement de la croissance sous-critique de fissures dans une céramique d'alumine de haute qualité postcompactée isostatiquement à haute température après le frittage. Des résultats d'essais de flexion statiques, on peut conclure que la croissance des fissures peut être décrite par une loi de puissance avec un exposant n = 73,5. Cette valeur élevée implique une excellente résistance à la croissance sous-critique de fissures. Le matériau utilisé est comparé aux alumines testées dans le cadre d'études antérieures.

Technischer Bericht NTB 89-12

Wellenberg Arbeitsprogramm
Teil 1 für Untersuchungen von der Erdoberfläche aus und Sondierbohrungen SB1, 3 & 4

Résumé

Im hier vorliegenden Arbeitsprogramm wird ein erster Teil der gesamten am Wellenberg vorgesehenen Feldarbeiten behandelt. Dieser Teil umfasst die Untersuchungen von der Erdoberfläche aus und die Sondierbohrungen SB1, 3 & 4 und gehört zur Untersuchungsphase Wellenberg Ia·, welche neben weiteren Bohrungen noch einen Sondierstollen bis Ende Traverse sowie ein Felslabor beinhaltet. Der Bericht erläutert Ziele, Methoden, Umfang und zeitliche Abfolge der vorgesehenen Feld- und Laboruntersuchungen. Es dient auf der einen Seite allen direkt am Projekt Beteiligten als Arbeitsgrundlage und verfolgt andererseits den Zweck, Behörden, Aufsichtsorgane und die interessierte Öffentlichkeit umfassend über die geplanten Arbeiten zu informieren.

Im ersten Kapitel des Arbeitsprogramms werden die grundsätzlichen Aspekte des Untersuchungsvorhabens dargelegt.

Kapitel 2 behandelt die geologischen, hydrogeologischen und geophysikalischen Messungen, welche an der Erdoberfläche (exklusive Sondierbohrungen) durchgeführt werden. Es wird gezeigt, dass diese Untersuchungen neben der Beschaffung von wichtigen erdwissenschaftlichen Daten auch der vorsorglichen Beweissicherung dienen (z.B. Rutschkataster, Quellenüberwachungen etc.). Deshalb werden diese Aktivitäten vor, während und nach dem Abteufen der Sondierbohrungen durchgeführt.

Der Schwerpunkt des Programms – die Untersuchungen in den Sondierbohrungen SB1, SB3 und SB4 – wird in Kapitel 3 vorgestellt.

Aus den Ausführungen in den Kapiteln 3.1 und 3.2 geht hervor, dass die Untersuchungsziele und -methoden grundsätzlich dieselben sind wie bei den bisherigen Standortuntersuchungen für die Endlagerung schwach- und mittelradioaktiver Abfälle.

In Kapitel 3.3 wird der geplante Untersuchungsumfang pro Sondierbohrung quantifiziert. Hierbei gewähren die Ablaufpläne (Arbeitsschritte) sowie die Datenblätter einen informativen Überblick über die operationellen Arbeiten in den Sondierbohrungen SB1, SB3 und SB4.

Schliesslich folgen in den Kapiteln 4, 5 und 6 Erläuterungen zur Berichterstattung, Logistik, Terminplanung und Projektorganisation.

Für Planung, Vorbereitung und Ausführung der operationellen Arbeiten wurde Nagra-intern ein Projektteam zusammengestellt, welches auch das vorliegende Arbeitsprogramm erarbeitet hat.

Technischer Bericht NTB 89-11

Felslabor Grimsel
Neigungsmessungen zur Ermittlung neotektonischer Vorgänge

Résumé

De 1985 à 1989, on a procédé, sur six stations du laboratoire souterrain du Grimsel, à des observations des variations verticales à l'aide de pendules verticaux Askania.

La gamme des fréquences observées·s'est étendue de celle des marées terrestres (T ~ 12 h et 24 h) jusqu'à des mouvements apériodiques (T ~ ∞). L'analyse des marées a fourni différents facteurs d'amplitude et déphasages aux stations, en raison surtout des inhomogénéités latérales entre les stations. L'étude de l'influence des lacs de barrages à proximité (T ~ de quelques semaines à un an) a révélé une trop faible influence du lac du Grimsel aux stations, ce que l'on a expliqué par d'éventuelles neutralisations des mouvements sur les zones de failles géologiques. L'ondulation annuelle, initialement due à la météorologie, est différente selon les stations, ce que l'on explique aussi comme étant l'expression de l'influence du signal par des inhomogénéités entre les stations. Le mouvement apériodique, qui n'a toutefois pas encore été analysé avec suffisamment de données, indique des affaissements de la région proche du lac. Une zone de failles entre deux lacs semble neutraliser les mouvements de l'un par rapport à l'autre, de sorte que les stations au nord de cette zone s'affaissent en direction du lac Räterichsboden (direction N/E) et que celles au sud s'inclinent vers le sud, soit en direction du lac du Grimsel.

Technical Report NTB 89-10

Final interpretation of hydraulic testing at the Siblingen borehole

Résumé

Ce rapport renferme les résultats de l'évaluation des tests hydrauliques, réalisé dans les sédiments triasiques et le socle cristallin du forage de Siblingen. De septembre 1988 à avril 1989, on a réalisé des tests avec obturateur simple et obturateur double ainsi que des essais en puits ouvert. On a ainsi analysé en tout 31 intervalles de test, soit près de 90 % de la longueur du forage. Tous ces intervalles de test ont fait l'objet d'analyses in situ provisoires, documentées dans les dits «quick-look reports». On a procédé à des interprétations plus détaillées pour 16 sections de forage sélectionnées. Les résultats de ces deux analyses se trouvent dans ce rapport. Les programmes TRIAS (Transient Interactive Analysis System) d'ITA et INTERPRET de Scientific Software Intercomp ont été utilisés pour évaluer les données brutes. Des valeurs représentatives ont été interprétées et conseillées pour la conductivité hydraulique, le niveau piézométrique calculé à la densité standard et la pression hydraulique de la roche. Comme il n'était pas possible d'avoir une estimation fiable de la capacité d'emmagasinement in situ, on a calculé cette dernière à partir des paramètres entrants. Pour la roche cristalline, on a supposé en général une valeur de 8,6E-08 m^-1. Les analyses ont indiqué une conductivité hydraulique située entre 1,6E-06 ms^-1 et 2,0E-04 ms^-1 pour les sections sédimentaires, et de 5,1E-11 ms^-1 à 4,0E-04 ms^-1 pour les sections cristallines. Les pressions de la formation et les niveaux piézométriques équivalents d'eau douce qui leur correspondent ont été estimés pour 26 des 31 tests. Les niveaux piézométriques équivalents d'eau douce ainsi obtenus varient de 462 m s. mer pour l'aquifère du Muschelkalk à 436 m s. mer pour les parties inférieures du socle cristallin. Les conductivités hydrauliques relativement élevées, constatées dans le forage de Siblingen, minimisent l'influence que l'évolution de la pression peut exercer sur les résultats des tests. C'est la raison pour laquelle, on a renoncé en général à inclure l'évolution de la pression dans l'analyse des données.

Ce rapport contient en outre une rapide description du dispositif des tests et de ses performances, ainsi que des méthodes de test et d'analyse auxquelles on a recouru pour avoir les paramètres hydrauliques.

Technical Report NTB 89-09

Interpretation of hydraulic testing at the Schafisheim borehole

Résumé

Ce rapport présente les résultats de l'interprétation hydrogéologique des tests à obturateur (simple ou double) effectués avec succès dans le forage de Schafisheim. Ce rapport contient également une brève description des méthodes utilisées, tant pour l'exécution des tests que pour leur interprétation. L'analyse des données à été réalisée à l'aide du programme GTFM (Graph Theoretical Field Model) développé par la société INTERA. Des facteurs tels que l'histoire des pressions dans le forage et les variations de température, engendrant des variations de pression, ont été pris en considération au cours des simulations.

Les pressions hydrostatiques ainsi que leurs termes équivalents, les potentiels hydrauliques, ont été déterminés pour 11 des intervalles testés. Les potentiels hydrauliques, calculés pour une colonne d'eau douce correspondent pour les aquifères sédimentaires à une altitude de 370 m (Malm) et de 444 m (Muschelkalk) et pour la section du forage creusée dans le cristallin à une altitude de 366 à 370 m.

Les perméabilités hydrauliques ont été estimées pour 37 intervalles testés dans 36 différentes sections du forage de Schafisheim. Parmi ceux-ci 16 intervalles ont été analysés de manière particulièrement détaillée. Par contre, l'analyse a été moins poussée pour les autres intervalles concernant des zones à faible perméabilité. Les perméabilités hydrauliques obtenues se situent entre 5.0E-06 ms^-1 et 1.0E-12 ms^-1. Les zones les plus perméables (supérieures à 1.0E-09 ms^-1) ont été observées aux profondeurs vraies suivantes: de 552.9 à 563.0 m, de 1227.6 à 1286.9 m, de 1564.1 à 1607.6 m, de 1882.8 à 1903.3 m et de 1953.7 à 2005.8 m.

Un coefficient d'emmagasinement spécifique de 1.0E-07 m^-1 a été généralement admis pour le cristallin. Une étude de sensibilité a été conduite pour quelques tests en vue d'évaluer l'incertitude sur la perméabilité hydraulique estimée due au choix du coefficient d'emmagasinement. Pour ce faire, la valeur du coefficient d'emmagasinement a été modifiée de 1 ou 2 ordres de grandeur par rapport à la valeur de base.

Technischer Bericht NTB 89-08

Zur Koordinationschemie der Huminstoffe

Résumé

Les humines dissoutes représentent des ligands qui influencent la spéciation des cations dans les eaux naturelles. Les calculs sur modèle doivent tenir compte de cette influence.

Opérationnellement, les humines dissoutes sont subdivisées en acides humiques et fulviques. Ces deux groupes sont des macromolécules polyfonctionnelles d'une grande diversité structurelle. Vu qu'elles ne représentent pas de substances homogènes on ne peut décrire leur comportement chimique en solution qu'à l'aide de modèles simplifiés à l'extrême.

Le comportement de protolyse des humines est essentiellement déterminé par des groupes de carboxyles et d'hydroxyles phénoliques, dont l'acidité est modifiée par l'influence de substituants. Un modèle partant chaque fois, pour les deux groupes acides, d'une répartition normale des valeurs PK_a apparaît comme étant chimiquement bien fondé.

Mais il n'existe pas de modèles donnant une description – élémentaire et en harmonie avec la réalité chimique – du comportement de ligands variés des humines. Tous les modèles procèdent à de si fortes simplifications qu'ils sont tout en fait en mesure de reproduire des données expérimentales, mais ne permettent pas d'extrapolation à des domaines de concentration que l'expérience ne couvre pas.

Dans le sens d'une description minimale, on peut traiter les complexes humiques comme le mélange de deux à trois complexes individuels, avec stœchiométrie 1:1. Les constantes de stabilité et les concentrations des ligands individuels sont des paramètres ajustables, dépendant des concentrations choisies. Elles ne s'appliquent en outre que pour certaines valeurs pH et forces ioniques. Vu que l'on ne dispose pas d'un modèle simple décrivant la dépendance du pH de la complexation, on ne peut pas appliquer – même approximativement – les données de la littérature, obtenues pour la plupart pour des pH bas, aux eaux naturelles.

Les humines influencent non seulement le comportement chimique des métaux en solution, mais aussi leur comportement de sorption sur les minéraux. Les surfaces minérales sont modifiées par l'adsorption de matériel organique et présentent alors un comportement de sorption différent. Ces processus sont compris qualitativement.

L'avenir proche ne livrera pas de modèle prévisionnel de la complexation par les humines, et l'on propose donc des expériences qui décrivent empiriquement l'interaction métal/humine pour les valeurs pH et des rapports métal/ligand réalistes. Outre les études de paramètres et les expériences dans les eaux de modèle et de site, des études d'analogie devraient aussi s'avérer utiles.

Technical Report NTB 89-07

Stripa Project
Interim report on the rock sealing project (Stage 1)

Résumé

L'objectif du Projet de Scellement est de trouver des solutions pour obturer par cimentation des roches finement fracturées. Cela implique la mise au point de nouvelles techniques d'injection ainsi que l'identification de ciments suffisamment fluides pour cette application, d'étanchéité satisfaisante et stables physiquement et chimiquement. Le présent rapport décrit les résultats obtenus au cours des deux premières années d'investigations (phase 1) qui ont donné des résultats très positifs ainsi que l'a confirmé un important essai de terrain à grande échelle.

Technical Report NTB 89-06

An Approach to Microbiological Modelling:
Application to the Near Field of a Swiss Low Intermediate-level Waste Repository

Résumé

Ce rapport présente une approche généralisée de la modélisation de l'activité microbiologique dans un système géologique qui est soumise à la disponibilité d'éléments nutritifs et de sources d'énergie. L'application de ce modèle pour déterminer les possibles conséquences d'une activité microbiologique dans un dépôt final pour déchets nucléaires de faible et moyenne activité est presentée d'une part pour le dépôt considéré dans son ensemble et d'autre part, ce qui est plus réaliste, pour l'une de ses parties renfermant un type particulier de déchets (résines échangeuses d'ions immobilisées dans du ciment). Le rapport discute également les possibilités de développement du modèle afin de considérer la distribution spatiale de composants dans le champ proche.

Technical Report NTB 89-05

Review of HLW disposal concepts in sediments

Résumé

Un examen de la recherche faite en Amérique du Nord et en Europe sur l'entreposage des déchets radioactifs de haute activité dans les formations argileuses a été exécuté pour le compte de la Société coopérative nationale pour l'entreposage de déchets radioactifs (Nagra). La littérature publiée jusqu'à fin 1987 a été revue à cet effet.

Le rapport présente une liste des formations sédimentaires (excepté les roches évaporitiques) considérées comme roche d'accueil pour les déchets radioactifs en Belgique, Allemagne de l'Ouest, France, Angleterre, Italie, Etats Unis et Canada. Les domaines de recherche importants pour les formations choisies dans ces pays y sont résumés. Les points traités concernent: les critères de sélection des sites et les méthodes d'investigation, l'hydrogéologie, les mécanismes de transport (migration des radionucléides), l'hydrochimie, la minéralogie-géochimie, la géotechnique, les effets thermiques et les barrières ouvragées. Les formations décrites comprennent: les argiles de Boom (Belgique), la série sédimentaire de Konrad (Allemagne de l'Ouest), la couverture sédimentaire des dépôts salifères de Asse et Gorleben (Allemagne de l'Ouest), différentes formations en France, le site de recherche de Harwell et divers sites sélectionnés par NIREX en Angleterre, différentes formations argileuses en Italie, et enfin de nombreux bassins aux Etats-Unis et Canada.

Des informations génériques au sujet des roches argileuses adaptées à l'isolation des déchets sont également présentées; entre autre: la géochimie des argiles et limons, les mécanismes de transport physico-chimiques dans les argiles, les aspects géotechniques des roches argileuses, les potentiels redox des systèmes naturels, l'influence des fractures et failles sur la conductivité hydraulique, la géomicrobiologie des roches sédimentaires.

Des recommandations pour des recherches ultérieures sont énumérées, afin d'améliorer dans le futur les connaissances dans les domaines critiques.

Une liste de références est ajoutée à la fin du texte.

Les coefficients de sorption des radionucléides les plus importants, ainsi qu'une liste de références sur ce sujet sont présentés en appendice.

Technischer Bericht NTB 89-04

Modellierung der Grundwasserströmungsverhältnisse am Oberbauenstock

Résumé

Le présent rapport décrit les résultats de la modélisation hydrogéologique du site potentiel de stockage final de l'Oberbauenstock (canton d'Uri). Celle-ci a pour but la simulation des écoulements souterrains dans la roche d'accueil ainsi que dans les roches avoisinantes. Le contexte géologique de la région modélisée, d'une superficie approximative de 32 km² comprend le chevauchement des nappes de Drusberg et d'Axen.

Les étapes successives de la constitution du modèle sont décrites en détail. La géométrie et les caractéristiques hydrauliques des aquitardes et aquifères significatifs sont définies. Le chevauchement, les discontinuités verticales, le tunnel du Seelisberg, ainsi que les constructions requises pour l'entreposage sont considérés comme des structures discrètes du modèle.

La simulation des écoulements souterrains, en régime permanent dans un milieu poreux saturé, est effectuée à l'aide du programme de calcul par éléments finis FEM301.

La modélisation présentée dans ce rapport aboutit à une meilleure compréhension de l'hydrogéologie du site de l'Oberbauenstock par rapport à une modélisation antérieure effectuée dans le cadre du projet Garantie. Les incertitudes portant sur les caractéristiques géométriques et hydrogéologiques de la roche d'accueil ainsi que les conditions aux limites du modèle ont une influence sur la qualité des résultats du calcul. La dépendance des systèmes d'écoulement par rapport à ces incertitudes est donc testée en faisant varier les différents paramètres du modèle. Cette simulation permet de calculer le flux hydraulique dans le site d'entreposage ainsi que la détermination des cheminements et temps d'écoulement du dépôt à la biosphère via la roche d'accueil.

Les résultats de la modélisation contribuent également à définir la configuration des galeries d'accès au site de stockage et servent de base à l'élaboration d'un programme d'investigation pour la future campagne de sondages.

Le modèle présenté se fonde sur les connaissances hydrogéologiques actuelles de la région de l'Oberbauenstock. Certains résultats du modèle peuvent être vérifiés à l'aide de données obtenues de manière indépendante. Les investigations prévues sur le site fourniront cependant de nouvelles informations, qui contribueront à une meilleure définition de divers aspects du modèle conceptuel actuel. La modélisation, dans ce sens, ne peut être considérée comme achevée, mais elle permet de rendre compte de l'étendue potentielle des répercussions que peuvent avoir des facteurs, appréhendés de manière encore approximative, sur les conditions d'écoulement simulées.

Technical Report NTB 89-03

Transmission electron microscope study of illite/smectite mixed layers

Résumé

Une investigation a été entreprise à l'aide d'un microscope électronique à transmission pour étudier les relations microstructurales entre les phylIosilicates interstratifiés smectite/illite et leurs produits d'altération. L'analyse de spécimens provenant du Sud-Ouest de la Suède a suggéré que l'on peut distinguer quatre types d'altérations de la montmorillonite. Les trois premières possibilités impliquent la dissolution de montmorillonite suivie de précipitation de diverses phases: silice, montmorillonite à grain fin qui subséquemment s'est recristallisée, ou bien en illite, ou bien en quartz et illite. La quatrième possibilité implique la déshydratation et le remplacement isostructural de montmorillonite par l'illite. La mobilité de la silice amorphe dans la structure de la montmorillonite a été mise en évidence par des essais in-situ à l'aide de faisceaux d'électrons et par des observations statiques de deux spécimens identiques mais préparés de façons différentes. Dans le dernier cas des distinctions ont été observées en ce qui concerne la localisation de la phase siliceuse. En se basant sur les observations faites au microscope électronique à transmission on peut supposer que la silice amorphe précipitée affecte l'aptitude au gonflement de la montmorillonite non seulement par remplacement de l'eau entre les feuillets des argiles mais aussi par obstruction au libre mouvement de l'eau dans la structure.

Technical Report NTB 89-02

Geochemical database for the sediment study
Intermediate report 1988

Résumé

Ce rapport présente les données géochimiques de base qui ont été utilisées pour l'évaluation de sûreté de deux formations sédimentaires: la molasse d'eau douce inférieure (Untere Süsswassermolasse, USM) et l'argile à opalinus (Opalinuston, OPA). Cette base de données a été utilisée pour le rapport de sécurité intérimaire ("Sediment-Zwischenbericht") relatif à un dépôt final dans les sédiments suisses (Nagra 1989) pour les déchets de haute activité. La géochimie in-situ des eaux souterraines a été élaborée à partir d'analyses d'échantillons d'eau, d'hypothèses fondées sur des données minéralogiques et d'autres trouvées dans la littérature ainsi que de calculs sur ordinateur.

Les données disponibles (géologie, géochimie/pétrographie, substances organiques, gaz, hydrochimie) permettent de définir des conditions géochimiques de référence (RC) pour le site de dépôt potentiel. Ces informations ont été exploitées pour calculer les eaux de référence associées (RW).

Les données de base de sorption permettant de modéliser le transport des radionucléides dans ces formations sont en outre présentées. On discute également les effets géochimiques dus à la présence éventuelle de colloïdes, de microorganismes ou de carbone organique.

Technischer Bericht NTB 89-01

Felslabor Grimsel
Hydrogeologische Untersuchungen zur Bestimmung hydraulischer Potentiale

Résumé

Les buts généraux du laboratoire souterrain du Grimsel sont, parmi d'autres, d'accumuler des connaissances concernant la planification, la réalisation et l'interprétation des recherches en sous-sol et surtout d'acquérir des expériences dans l'épreuve et la mise en œuvre des appareils d'essai.

Concernant les analyses hydrogéologiques ces buts signifieraient concrètement: concevoir des méthodes d'auscultations qui sont aptes à l'application routinière des analyses hydrogéologiques pour des cites d'entreposage potentielles. Un autre but était d'acquérir par une société suisse les connaissances nécessaires à ce sujet. Le bureau d'étude Suisse, SOLEXPERTS, a établi le «know-how» pour:

ce qui correspond au niveau actuel de la science et de la technique dans le domaine des procédés d'essais hydrogéologiques dans des forages.

Ce rapport décrit les systèmes et les techniques d'essais qui avaient été appliqués et réalisés dans les années 1985 jusqu'en 1987, ainsi que les résultats des mesures et les méthodes de leurs interprétations.