L’argilite du Callovo-Oxfordien

L’argilite du Callovo-Oxfordien

L’argilite du Callovo-Oxfordien est une roche sédimentaire argileuse considérée par l’Andra (Agence nationale pour la gestion des déchets radioactifs) comme roche hôte potentielle pour le stockage géologique profond des déchets radioactifs en France. Déposée dans le bassin parisien il y a 155 millions d’années, la couche d’argilite du COx se situe entre 420 et 550 m de profondeur sur une couche subhorizontale avec un pendage de 2° par rapport à l’horizontale vers le nord-ouest . Elle est déposée sur une couche de calcaire de Dogger et recouverte par une couche de calcaire Oxfordien.

Le laboratoire de recherche souterrain de Meuse/Haute-Marne dans le nord-est de la France à coté de Bure se situe à 490 m de profondeur, au milieu de la couche d’argilite du COx, à une profondeur où la proportion argileuse est proche de 50%  . Depuis les années 2000, l’Andra mène un programme expérimental in-situ et en laboratoire terrestre pour la caractérisation des propriétés THM de l’argilite du COx, dans le but de démontrer la faisabilité du stockage profond des déchets radioactifs. Des galeries de grande taille et des micro-tunnels  sont creusés au niveau du laboratoire pour l’étude de l’impact des travaux d’excavation et du stockage des déchets exothermiques sur la roche.

La couche géologique de l’argilite du COx est devisée verticalement en trois unités lithostratigraphiques.
– Unité Argileuse (UA) : d’une épaisseur d’environ 2/3 de l’épaisseur totale de la couche. Elle contient la proportion la plus élevée en particules argileuses avec environ 40 à 60% au niveau du laboratoire souterrain de Bure (si situant à 490 m de profondeur dans les unités UA2 et UA3 ) .
– Unité de Transition (UT) : qui est une unité de transition entre l’Unité Argileuse (UA) et l’Unité Silto-Carbonaté (USC) et qui contient plus de carbonate (40-90%).
– Unité Silto-Carbonatée (USC) : avec une épaisseur de 20 à 30 m, la composition minérale dans cette unité varie progressivement marquant l’initiation de la couche du calcaire Oxfordien.

Ces séquences sédimentaires sont l’expression des variations du niveau marin ayant affecté le Bassin Parisien au Callovo-Oxfordien.

La composition minéralogique de l’argilite du COx a été étudiée par diffraction des rayons X (DRX) (Gaucher et al. (2004), Andra (2005), Yven et al. (2007) et Robinet (2008)). Au niveau du laboratoire souterrain à 490 m, la phase argileuse est prédominante avec environ 45-50% qui constitue une matrice composée de 10-24% de minéraux intersratifiés illitesmectite (I/S), 17-21% illite, 3-5% kaolinite, 2-3% chlorite (Gaucher et al., 2004). La présence de smectite (50 et 70% des intersratifiés I/S) assure une capacité de gonflement de l’argilite du COx (e.g. Mohajerani et al., 2012; Delage et al., 2014) et d’auto-colmatage (Davy et al., 2007; Zhang, 2011; Menaceur et al. 2015).

Les autres minéraux présents dans l’argilite du COx sont insérés dans la matrice argileuse, avec des proportions de 20-30% de carbonates, 20-30% de quartz et une petite fraction de feldspath (Gaucher et al. 2004). Une répartition 3D des minéraux composant l’argilite du COx a été obtenue par Robinet et al. (2012) par Microscopie Electronique à Balayage avec la technique d’imagerie à électrons rétrodiffusés (SEM BSEi : Scanning Electron Microscopy Back-Scattered Electrons imaging) .

L’étude de la microstructure de l’argilite du COx à l’aide notamment du porosimètre au mercure a montré que le diamètre moyen d’accès de pores est de 20 nm sur des échantillons séchés (Chiarelli 2000; Yven et al. 2007; Boulin et al. 2008) et de 32 nm sur des échantillons lyophilisés (Delage et al. 2014; Menaceur et al. 2016b). La petite taille des pores est à l’origine de la faible perméabilité de l’argilite du COx (≈ 5×10⁻²⁰ à 5×10 ⁻²¹ m² ). La porosité totale au niveau du laboratoire souterrain varie entre 16 et 19% et la teneur en eau entre 7 et 8%.

Le laboratoire de Mont Terri se trouve dans l’anticlinal de Mont Terri situé au nord des montagnes de Jura dans la commune de Clos du Doubs. Il est construit dans une couche d’environ 42° de pendage à une profondeur de 230 à 330 m   à proximité du tunnel autoroutier du Mont Terri. De par son histoire géologique, la profondeur de la couche de l’Argile à Opalinus aurait atteint une profondeur de 1350 m (Keller et al. 2011; Delage 2013). Le laboratoire est composé d’environ 700 m de galeries et de niches   dont la plupart présentent une section de fer à cheval avec une hauteur de 4 à 5 m.

Les contraintes in-situ au niveau du laboratoire de Mont Terri ont été déterminées par Martin and Lanyon (2003), qui ont fourni les valeurs suivantes : contrainte axiale σ1=6- 7 MPa, contrainte radiale majeure σ2 = 4-5 MPa et faible contrainte radiale mineure σ3 = 0.6- 2 MPa. La pression interstitielle est d’environ 2.2 MPa. Sur le site de Lausen, l’état de contraintes in-situ a été estimé par la Nagra à environ 1.3 MPa de contrainte moyenne et 0.3 MPa de pression interstitielle .

D’un point de vue lithologie, l’Argile à Opalinus est répartie sur des zones riches en carbonates, des zones sablonneuses et des zones riches en particules argileuses. Le laboratoire de Mont Terri se situe dans la zone riche en argiles avec environ 50-65% de particules argileuses, principalement de l’illite et de la smectite. L’Argile à Opalinus contient également 10-20% de particules de quartz, 0-5% de feldspath, 0-3% de pyrite et une faible fraction de matières organiques  (Hohner and Bossart 1998; Thury and Bossart 1999; Corkum and Martin 2007; Munoz et al. 2009; Wild 2016).

La microstructure de l’Argile à Opalinus a été étudiée par porosimétrie au mercure par (Munoz et al. 2009; Houben et al. 2013; Favero 2017). La distribution de la taille des pores de l’Argile à Opalinus montre qu’environ 42% des pores se classent dans l’ultra-microporosité avec une taille de pore inférieure à 20 nm comme pour l’argilite du Callovo-Oxfordien (Munoz et al. 2009) dans le cas séché, il n’est pas indiqué par Munoz et al. (2009) si les échantillons ont été séchés ou lyophilisés. La petite taille des pores se traduit, comme pour l’argilite du COx, par une très faible perméabilité de l’ordre de 10⁻²⁰ m² . L’image fournie par microscopie électronique à balayage montre un agrégat de particules argileuses avec une taille maximum de 32 µm, dont la cimentation serait due aux grains de calcite présents entre les particules argileuses (Munoz et al. 2009).

Dispositifs expérimentaux

Le programme expérimental mené dans cette thèse comprend la caractérisation des paramètres poroélastiques de l’argilite du Callovo-Oxfordien que l’on conduit dans une cellule isotrope thermique, utilisée également pour une étude de la réponse volumique thermique instantanée et différée. Deux cellules triaxiales (HP3 et Timodaz) ont également été utilisées pour les essais déviatoriques sur l’argilite du COx et l’Argile à Opalinus. Des essais de compression simples ont également été menés sous une presse mécanique sur l’Argile à Opalinus.

Cellule isotrope thermique

La cellule isotrope utilisée dans les travaux de cette thèse a été initialement développée par Tang et al. (2008) pour l’étude THM des bentonites compactées gonflantes. Elle a ensuite été adaptée par Mohajerani et al. (2012) pour l’étude de la pressurisation thermique de l’argilite du Callovo-Oxfordien sur des échantillons en forme de disques de 80 mm de diamètre et 10 mm de hauteur.

Table des matières

Résumé
Abstract
Publications
Liste des tableaux
Liste des figures
Introduction générale
Chapitre : 1 Matériaux et protocoles expérimentaux
1.1. L’argilite du Callovo-Oxfordien
1.2. L’Argile à Opalinus
1.3. Dispositifs expérimentaux
1.3.1. Cellule isotrope thermique
1.3.2. Cellules triaxiales
1.4. Protocoles et méthodes
1.4.1. Préparation et conservation des échantillons
1.4.2. Mesure des déformations
1.4.3. Phase de saturation
1.4.4. Vitesses de chargement
1.5. Conclusion
Chapitre 2 : Cadre théorique porélastique
2.1. Cadre théorique de la poroélasticité saturée
2.1.1. Comportement volumique poroélastique
2.1.2. Poroélasticité anisotrope
2.2. Détermination des coefficients b1 et b2 au laboratoire
2.2.1. Essais œdométriques
2.2.2. Essais en cellule isotrope
2.3. Poroélasticité non-saturée
2.4. Conclusion
Chapitre 3 : Etude du comportement poroélastique de l’argilite du Callovo-Oxfordien
3.1. Etat des connaissances
3.1.1. Mesure du coefficient de Biot
3.1.2. Mesures des modules drainé Kd et sans membrane Ks
3.2. Détermination des propriétés poroélastiques de l’argilite du Callovo-Oxfordien
3.2.1. Introduction
3.2.2. Poroelasticity framework
3.2.3. Material and methods
3.2.4. Experimental program and results
3.2.5. Analysis of experimental results and discussion
3.2.6. Conclusion
Appendix 1
Appendix 2
3.3. Effet des propriétés de compression des grains sur l’anisotropie macroscopique
3.3.1. Micro-isotropie des grains solides
3.3.2. Micro-anisotropie des grains solides
3.3.3. Grains solides isotropes transverses
3.4. Porosité active dans l’argilite du COx
3.4.1. Introduction
3.4.2. Background
3.4.3. Materials and methods
3.4.4. Experimental results
3.4.5. Active porosity in the COx claystone
3.4.6. Conclusion
3.5. Conclusion
Conclusion générale

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