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Technical Report NTB 91-16

Implications of long-term transient flow, coupled flow and borehole effects on hydrogeological testing in the Opalinus clay: Preliminary study with scoping calculations

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  • version papier, anglais
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Au cours d'une réunion entre la Nagra et les représentants de BGS, le 24 mai 1989 à Keyworth, on a examiné un certain nombre de processus pouvant être responsables des pressions hydrauliques anormalement basses observées lors d'essais hydrauliques en forages dans l'Argile à Opalinus (marnes aaléniennes). Une pression hydraulique anormale fut définie comme une pression ne pouvant être interprétée en termes d'écoulement gravitationnel normal en régime permanent.

En examinant le problème, il apparut que trois types de processus pourraient être invoqués; le premier est associé à un écoulement transitoire à long terme, le second à un écoulement couplé (en particulier avec les forces osmotiques), et le troisième à des effets de forage comme le gonflement, la perturbation des pressions in situ et la déformation plastique des parois du forage.

Ce rapport représente une étude préliminaire des processus identifiés. L'approche choisie a été d'examiner chaque type de processus individuellement, dans un premier temps à un niveau général, et ensuite avec des références spécifiques à l'Argile à Opalinus. Des modèles théoriques simples ont été établis et un grand nombre de calculs a été effectué dans le but de distinguer les effets d'ordre primaire ou secondaire. Les paramètres de base hydrogéologiques, géotechniques et géochimiques de l'argile litée sont obtenus à partir des données d'analyses et d'essais antérieurs, ou sont calculés à partir des relations connues entre ces paramètres. Les paramètres pour lesquels aucune donnée n'existe ont été tirés de la littérature sur les argiles litées.

Ce qui ressort de cette étude est que, bien que les mécanismes de mouvement de l'eau souterraine dans les roches argileuses soient pour le moment mal connus, certains processus pourraient avoir des effets hydrogéologiques assez importants pour masquer complètement les réponses normales des essais hydrauliques. Ceci peut avoir des répercussions sur le développement d'une stratégie pour la caractérisation d'un site, en ce qui concerne la modélisation et les analyses de sécurité.

Nos calculs suggèrent qu'un écoulement transitoire à long terme dans l'Argile à Opalinus peut être la conséquence de la décompression des roches associée à l'érosion des couches de surface. Ce processus sera le plus actif là où l'érosion a été la plus forte (p. ex. au tunnel du Wisenberg et dans la vallée de Homburg). De plus, des déformations néotectoniques étant postulées dans plusieurs régions de Suisse, y compris dans le Jura, il est possible qu'une déformation tectonique des argiles influence le régime hydraulique dans ces dernières.

L'image générale qui ressort de nos calculs concernant le mécanisme de surconsolidation est que les écoulements de fissure se rééquilibrent assez rapidement après exhumation, mais le réajustement des teneurs en eau dans la matrice rocheuse occupe une bien plus longue période. Il est retardé par la cohésion diagénétique des minéraux argileux et la formation de ciments. Ainsi, les écoulements de fissure pourraient être considérés comme essentiellement déphasés par rapport aux écoulements dans l'argile intacte (écoulement de matrice).

La faible porosité et la généralement forte teneur en argile de l'Argile à Opalinus suggèrent que cette dernière pourrait également agir comme une membrane semi-perméable avec un flux osmotique non seulement aux limites des couches mais aussi à l'intérieur de celles-ci. Nos calculs montrent que l'osmose peut avoir des effets importants sur les mesures de pression hydraulique dans les roches argileuses. Ces effets doivent être pris en compte lors d'essais hydrauliques dans de telles roches. Un écoulement couplé peut aussi être très important lorsqu'on modélise les mouvements de l'eau souterraine en roches argileuses.

Si l'on admet que le flux osmotique est une composante importante du flux total en roche argileuse, alors le comportement transitoire à long terme doit être considéré comme une réponse à un déséquilibre hydraulique et chimique.

Un profond enfouissement suivi d'exhumation de l'Argile à Opalinus ont engendré dans celle-ci une nette «soif» d'eau. Cette tendance à avaler de l'eau peut être interprétée en simples termes mécaniques comme la conséquence de l'expansion après surconsolidation, ou en termes chimiques comme un phénomène de succion associé à l'osmose et/ou à l'hydratation opérant à échelle microscopique. De puissantes succions (pressions interstitielles négatives) peuvent se développer dans les roches proches de la surface. De telles succions sont tout à fait compatibles avec la forte capacité de gonflement observée dans l'argile. Ceci joue un rôle fondamental dans nos discussions concernant les écoulements transitoires à long terme et les écoulements osmotiques (couplés) dans les roches argileuses.

Ainsi nous voyons que dans les roches argileuses, particulièrement dans les argiles litées très compactes comme l'Argile à Opalinus, il y a un nombre considérable de raisons pour lesquelles la pression hydraulique (déterminée de façon habituelle) pourrait ne pas être interprétable en termes d'écoulement gravitationnel normal en régime permanent. En fait, dans beaucoup de milieux argileux, il est difficile d'imaginer le cas d'une pression qui ne serait pas «anormale».

Les effets de forage, associés aux modifications mécaniques, thermiques et chimiques des roches en cours de forage et d'essai, peuvent avoir une influence significative sur la réponse hydraulique mesurée pendant les essais. Bien que le gonflement dû à l'introduction d'eau fraîche soit probablement le facteur principal, la perturbation in situ du champ des contraintes et la déformation plastique de la roche peuvent avoir dans les forages profonds un effet considérable sur la distribution des pressions interstitielles autour du forage. Si le dispositif de mesure est caractérisé par un faible temps d'ajustement («compliance»), les mesures peuvent aussi être affectées par la fermeture progressive du trou.

Si nous examinons le cas particulier de charge hydraulique anormale dans le forage RB26B, sur le tracé proposé pour le tunnel du Wisenberg dans la vallée de Homburg (cf. section 6.2), nous ne pouvons exclure totalement de très simples explications, comme la présence d'air dans les intervalles de test. Cependant, les pressions anormales peuvent s'expliquer (semi-quantitativement) en admettant que la pression totale h en chaque point de ce forage s'exprime par

h = z + hpp + hsp

où z est la pression due à l'altitude, hpp la pression dans les macropores (liée à la pression hydrostatique) et hsp la pression du soluté dans les macropores. Si ce scénario est correct, alors il a de très importantes conséquences pour la planification et l'interprétation des essais hydrauliques dans les roches argileuses. La conséquence la plus importante est que la pression hydraulique déterminée par de tels essais dépend de la concentration chimique du fluide de test. Ceci remet en question l'usage habituel d'eau déionisée comme fluide de test. Des liquides non polarisés et non réactifs pourraient être plus appropriés. D'autre part la nature chimique des fluides de test devrait être considérée comme une variable dans le développement de méthodologies d'essais hydrauliques dans les roches argileuses.

Il ressort de cette étude une relation intéressante entre le flux chimico-osmotique dans la roche argileuse (flux couplé) et le processus physico-chimique du gonflement inter-particulaire. A proximité d'un forage, les deux processus sont pratiquement inséparables. Ils relèvent tous deux d'un mécanisme par lequel l'eau est transférée de l'intervalle de test au milieu rocheux, et ils sont tous deux sensibles à la nature chimique des fluides de test. Ceci suggère que ces deux processus pourraient être décrits par une théorie unifiée. Ce n'est probablement pas un hasard si les caractéristiques de l'argile qui font d'elle une membrane osmotique efficace sont celles là mêmes qui la dotent d'une grande capacité de gonflement.

Les conclusions apportées par ce rapport sont si importantes pour la caractérisation des sites hydrogéologiques en milieu argileux que des études supplémentaires in situ et en laboratoire s'imposent. De telles études devraient être appuyées par le développement parallèle des modèles théoriques. Nous distinguons trois axes prioritaires: (a) le développement d'une méthodologie d'essais hydrauliques en forage spécifique aux roches argileuses associé au développement de modèles théoriques nécessaires au traitement des données; (b) le développement d'un modèle numérique relativement simple, si possible unidimensionnel, permettant des analyses de sensibilité des écoulements transitoires sous gradients hydrauliques et chimiques; et (c) l'étude plus approfondie des conséquences d'une déformation tectonique sur l'hydrogéologie régionale de l'Argile à Opalinus. Des recommandations spécifiques sont présentées dans le chapitre 9.

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