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Technical Report NTB 92-04

Hydrodynamic Synthesis and Modeling of Groundwater Flow in Crystalline Rocks of Northern Switzerland

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  • version papier, anglais
    50,00 CHF

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Ce rapport donne une synthèse hydrogéologique du socle cristallin de la Suisse du Nord ainsi que la méthodologie d'investigation utilisée pour ce faire. Il clôt les études effectuées par la Société coopérative nationale pour l'entreposage de déchets radioactifs (Nagra) de 1981 à 1993. Le principal but de celles-ci était de déterminer l'aptitude du socle cristallin comme roche d'accueil pour le stockage définitif de déchets radioactifs à haute activité et de déchets à moyenne activité et longue durée de vie.

La caractérisation hydrogéologique détaillée du socle cristallin présentée dans ce rapport occupe une position clé pour l'analyse de sûreté et de performance du site, compte tenu du fait que les mouvements d'eaux souterraines provoquent le transfert de radionucléides entre le site d'entreposage et au travers du milieu géologique (géosphère). L'objectif final de la caractérisation est de fournir une description adéquate des processus et des paramètres qui contrôlent le système d'écoulement entre le site de stockage et la biosphère. L'étude hydrogéologique de caractérisation du socle cristallin a été accomplie de 1991 et 1993 et comprend les étapes suivantes:

  • Synthèse des données hydrauliques des forages et conceptualisation hydrogéologique de la roche cristalline.
  • Estimation analytique des propriétés hydrauliques effectives dans le cadre conceptuel adopté.
  • Modélisation des écoulements à l'échelle régionale.
  • Modélisation et évaluation des écoulements à une échelle locale pour des domaines d'étude choisis.
  • Modélisation stochastiques des écoulements en milieu fracturé à l'échelle du site de stockage et déduction des paramètres d'entrée nécessaires pour les études de sûreté.

Les résultats de cette étude effectuée sur différents niveaux ont été présentés dans une série de rapports techniques de la Nagra. Ce rapport en fait une synthèse et présente une description exhaustive de l'hydrogéologie des roches du socle cristallin de la Suisse du Nord. La synthèse de tous les travaux effectués dans le cadre du programme KRI-I est donnée par THURY et al. (1994).

L'intérêt de la Nagra s'est focalisé sur une bande du socle cristallin située entre la bordure du fossé au Sud et la frontière avec l'Allemagne au Nord. Ce domaine a été investigué par les forages profonds de la Nagra à Kaisten, Böttstein, Leuggern et Siblingen. Comme le socle y est recouvert par des sédiments du Mésozoïque, aucune observation de surface n'est disponible. Aussi, des études d'affleurement du socle cristallin dans la partie méridionale de la Forêt Noire sont utilisées afin de compléter les informations fragmentaires des forages profonds.

Une première étape dans la caractérisation hydrogéologique est l'élaboration d'un modèle conceptuel qui donne une description simplifiée mais cohérente de l'écoulement à travers les roches cristallines. Le socle cristallin est subdivisé en plusieurs unités conceptuelles qui constituent une représentation simplifiée du milieu en blocs homogènes caractérisés par une valeur unique moyenne des paramètres. A une échelle d'écoulement régionale, le socle est traversé par des failles subverticales occasionnant d'importantes circulations d'eau. La matrice rocheuse des blocs de taille variable situés entre ces failles est peu diaclasée. Verticalement ces blocs peuvent être subdivisés en une zone supérieure plus perméable et une zone inférieure moins perméable. Dans une synthèse hydrogéologique précédente deux régions du Nord de la Suisse ont été identifiées comme possédant une roche cristalline adéquate: à l'Ouest la zone de Kaisten – Leuggern – Böttstein, à l'Est la zone de Siblingen. Ces deux régions sont caractérisées par des propriétés hydrauliques différentes. La partie inférieure du cristallin dans la zone Ouest a été identifiée comme roche d'accueil potentielle pour un stockage profond. Dans la zone Est, caractérisée par un seul forage à Siblingen, une roche cristalline semblable n'a pas été identifiée. La question fondamentale est de savoir si les données du forage de Siblingen sont représentatives de l'ensemble du domaine considéré ou si elles reflètent plutôt des conditions hydrogéologiques locales. Le modèle conceptuel d'écoulement à l'échelle subrégionale considère ces deux éventualités. A l'échelle du site de stockage (échelle d'un bloc) l'écoulement est contrôlé par des discontinuités discrètes. Ces structures bidimensionnelles sont identifiées comme zones d'afflux lors des essais hydrauliques en forages, sont conceptualisées sous forme d'éléments transmissifs et sont caractérisées par les propriétés statistiques déduites ou induites des observations.

Les écoulements souterrains régionaux ont été modélisés afin de confirmer et d'augmenter la compréhension générale du système d'écoulement dans le socle cristallin en Suisse du Nord. A cette échelle, la roche cristalline est considérée comme milieu équivalent à un milieu poreux. Les résultats de modélisation ont été comparés aux hauteurs piézométriques observées ainsi qu'aux données hydrochimiques afin d'analyser la plausibilité des différentes hypothèses conceptuelles. Cette étude a conduit à un tableau résumant les éléments clé et les alternatives pondérées selon leur plausibilité, donnant ainsi une vue globale du système hydrogéologique régional. La robustesse du système simulé a été testée en introduisant des fractures discrètes et en considérant des scénarios géologiques à long terme comprenant des changements topographiques néotectoniques et des modifications du cours des rivières.

Le régime d'écoulement local dans la zone Ouest a été évalué au moyen d'un modèle dit hybride ou à double porosité. Cette approche permet de prendre en compte de façon explicite les failles à haute perméabilité et les blocs peu diaclasés dans la modélisation. Le développement d'un nouveau générateur de maillage a été nécessaire afin de prendre en compte la géométrie complexe et les orientations aléatoires des failles. Un modèle géométrique de failles simplifié a servi de base pour le maillage numérique. L'impact de différentes variantes géométriques du modèle hybride sur les résultats de simulation a été investigué afin de couvrir les incertitudes relatives à la géométrie et à la distribution statistique des failles hydrauliquement actives. Les deux situations extrêmes dénommées scénario "réseau de failles complet (RFC)" et scénario "réseau de failles réduit (RFR)" sont supposées couvrir l'ensemble des situations possibles et ont été sujettes à une analyse exhaustive. L'objectif principal des simulations était d'évaluer l'impact des failles à conductivité majeure sur l'écoulement dans les blocs du cristallin peu diaclasés à l'échelle locale. Les résultats de modélisation sont évalués dans l'optique d'une analyse de sûreté. Les résultats principaux sont 1) la distribution des flux entre les blocs de roche cristalline et les failles, 2) la distribution des gradients hydrauliques à l'intérieur de la roche d'accueil en fonction de la fréquence des failles, et 3) l'orientation et les longueurs de cheminement de l'écoulement entre le site de stockage et le milieu fortement perméable le plus proche. Les gradients hydrauliques moyens varient entre 0,01 (RFC) et 0,05 (RFR). L'orientation et les longueurs de cheminement de l'écoulement dans la roche d'accueil peu perméable dépendent de la taille des blocs peu diaclasés. Les résultats montrent que l'écoulement local n'est préservé que dans le cas de blocs de dimensions importantes. La comparaison des résultats de modélisation avec les observations effectuées par forage suggèrent que seulement un certain nombre des failles identifiées par une analyse de géologie structurale et appartenant à un réseau géométrique donné sont hydrauliquement actives. En d'autres termes, les conditions simulées dans le scénario RFR sont plus plausibles que celles du scénario RFC pour lequel l'interconnexion du réseau est importante.

Dans un second temps, la modélisation a porté sur la caractérisation de l'écoulement à l'intérieur d'un bloc de roche cristalline à faible perméabilité dans lequel est positionnée une galerie de stockage hypothétique. D'après le modèle conceptuel, l'écoulement et le transport advectif à cette échelle est entièrement contrôlé par les éléments transmissifs dont les caractéristiques géométriques et hydrauliques ne sont pas connues de façon déterministe mais de façon statistique. Le modèle conceptuel considéré est donc un modèle de milieu fracturé discontinu, dans lesquels la contribution de la matrice à l'écoulement est négligeable. Le réseau de fractures complexe est généré par simulation statistiques sur la base des paramètres descriptifs obtenus par observations dans les forages. La simulation de réseaux de fractures comportant une galerie de stockage hypothétique fournit les paramètres suivants nécessaires à l'analyse de performance de la galerie de stockage:

  • Fréquence, longueur de la trace d'intersection et transmissivité des fractures intersectées. Ces paramètres combinés aux gradients hydrauliques (obtenus par le modèle d'écoulement à l'échelle locale) permettent l'estimation des flux volumétriques au travers de la galerie de stockage.
  • Conductivité effective du bloc simulé. Ce paramètre peut être utilisé comme information a posteriori pour la caractérisation des blocs de matrice rocheuse du modèle hybride.

L'écoulement à l'échelle d'un bloc a été calculé pour des volumes, de roche cristallines typiques de l'unité inférieure des zones Est et Ouest dans le but de procurer des données d'entrée quantitatives pour les simulations de l'analyse de sûreté. Les résultats obtenus portent sur les flux hydriques à travers le site de stockage ainsi que leur distribution entre les éléments transmissifs, et sur la dilution potentielle des eaux passées au travers du site dans les aquifères de surface et les rivières. Comme la zone Est est moins bien caractérisée, une incertitude importante entache les résultats d'évaluation à l'échelle d'un bloc. Deux groupes de données distincts sont obtenus pour l'analyse de sûreté de la zone Est qui prennent en compte les deux alternatives d'interprétation possibles des observations de Siblingen.

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