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Propriétés de l’argilite du Callovo-Oxfordien (site de Bure)
Les caractéristiques géologiques et thermo-hydro-mécaniques de l’argilite du COx ont été identifiées par des campagnes expérimentales en laboratoire souterrain et de surface et des analyses numériques accompagnées d’analyses inverses.
Composition minéralogique
La diffraction des rayons X (DRX) permet de caractériser la structure minéralogique d’une roche à partir de l’analyse de poudres obtenues par broyage. La présence des minéraux est également confirmée par l’observation au Microscope éléctronique à balayage (MEB). Comme indiqué dans la coupe stratigraphique de la Figure 1-2, l’argilite (silteuse) est constituée de trois phases principales : les minéraux argileux, le quartz et la calcite ; les phases secondaires comprennent la dolomite, le feldspath, la pyrite, les oxydes de fer avec moins d’un pour cent de matières organiques. Le pourcentage des minéraux change au long de la profondeur : la calcite et le quartz sont toujours présents avec un pourcentage variable entre 40 et 55%, le quartz est constitué soit de particules de grande taille (>30µm) arrondis d’origine détritique (Su 2005), soit de particules plus petites (<5µm) aux arêtes nettes sans trace d’altération. La phase argileuse varie avec la profondeur entre 20 et 55% et comprend de l’illite, des interstratifiés réguliers illite-smectite (R1), des interstratifiés irréguliers illite-smectite (R0), de la chlorite et la kaolinite avec un pourcentage moyen des minéraux secondaires inférieur à 5%.
Robinet (2008) a étudié la variation de la teneur en carbonates d’échantillons provenant de différentes profondeurs par microscopie optique. la présence de zones riche en argile et/ou en carbonates et l’augmentation de la teneur en argile (et de l’homogénéité) avec la profondeur.
Propriétés physiques
Porosité
Plusieurs types de porosité peuvent être définis : porosité physique, porosité associée au transport (convection, diffusion), porosité associée aux interactions géochimiques. La porosité physique s’exprime comme le volume des vides rapporté au volume total de l’échantillon. Elle peut être identifiée à l’aide des mseure de masse volumique, par porosimétrie au mercure et par porosimétrie à l’azote. La porosité totale peut être divisée en (Giannesini, 2006) i) macroporosité associée aux minéraux détritiques (quarts et calcites) et aux espaces intergranulaires, ii) mésoporosité correspondant à la porosité intra-agrégats (et même à la porosité inter agrégats dans le cas d’une haute teneur en argile) et iii) microporosité liée à l’espace interfoliaire des minéraux argileux smectitiques et à la porosité de limite de grains. Théoriquement, l’injection au mercure permet de mesurer l’ensemble de la méso porosité et de la macro-porosité et l’adsorption à l’azote permet d’estimer la micro porosité.
Dans les parties homogènes les plus argileuses, la porosité moyenne totale peut atteindre 20 ± 1% dont ~ 10% de macropores, ~ 86% de mésopores et ~ 4% de micropores (Cité par Esteban, 2006). Parmi les échantillons analysés, Esteban (2006) a observé une diminution de la macroporosité au profit de la mésoporosité dans les niveaux les plus argileux, associée à une diminution de la taille des pores et des connexions porales. Elles sont le reflet d’une diminution de la teneur en minéraux détritiques de grande taille (quartz ± chlorite, glauconie…) et en calcite (bioclastes, cristaux secondaires). Robinet (2008) a étudié la relation entre la teneur en carbonate et la porosité pour différents échantillons. Il confirme que pour les zones plus carbonatées la porosité est moins importante et pour les zones argileuses plus homogènes la porosité est plus importante .
Granulométrie
Du point de vue granulométrique, la fraction silteuse (2-63µm) est la plus abondante (40%), la fraction argileuse (<2 µm) est également importante (34%) tandis que les sables (63µm-2mm) restent largement minoritaires (1%) (Gaucher et al. 2004). La taille de certains grains peut néanmoins dépasser 200 µm (Ghoreychi, 1999). D’après les observations au MET (Ghoreychi, 1999), les argiles sont de relativement grande extension dans le plan des feuillets (2 µm), tandis que l’épaisseur des cristallites ou agrégats de cristallites est de quelques centaines d’Angstroems.
Propriétés hydrauliques
Perméabilité à l’eau
Du fait de la très longue durée nécessaire pour établir un régime d’écoulement permanent sous un gradient hydraulique constant dans les argilites de très faible perméabilité intrinsèque (entre 10⁻²⁰ et 10⁻²² m² ), les méthodes transitoires sont préférées aux méthodes permanentes. Brace et al. (1968) ont présenté une méthode transitoire appelée « pulse test » basée sur la diffusion de pression. Hsieh et al. (1981) ont présenté une solution analytique du pulse test adoptée aux roches où l’hypothèse d’incompressibilité de l’eau devant la squelette de l’échantillon n’est plus valable, Dans cet essai, un échantillon cylindrique mince de roche est relié à deux réservoirs de liquide (Figure 1-11, Homand et al., 2004) en amont et en aval. Après saturation de l’échantillon et homogénéisation de la pression de pore, la pression est subitement accrue dans le réservoir en amont. La perméabilité intrinsèque est mesurée par la comparaison entre l’évolution de la pression dans les deux réservoirs et les courbes théoriques. Cette méthode a été utilisée par Heitz (1998), Coste (1999), Escoffier (2002) et Homand et al. (2004) pour déterminer la perméabilité des argilites du COx.
Perméabilité au gaz
La formation hôte sera également confrontée à des transferts de gaz lors de plusieurs étapes de stockage. Plusieurs équipes ont étudié la perméabilité au gaz des argilites sous différentes conditions (dont Zhang et Rothfuchs 2004, Marshall et al. 2005, Yang et al. 2010) Zhang et Rothfuchs (2004) ont mesuré en régime permanent la perméabilité de l’argilite du COx dans deux directions perpendiculaire et parallèle au litage pour les échantillons de différentes teneurs en eau et sous différentes pressions de confinement jusqu’à 14 – 16 MPa. Les mesures ont été réalisées par injection d’azote dans les sens parallèle et perpendiculaire au plan de stratification à travers un échantillon initialement saturé avec une pression d’injection de 1,9 MPa sous une pression de confinement de 2,4 – 3MPa. Dans de telles conditions, le gaz entre dans les pores les plus gros et remplace l’eau interstitielle. Zhang et Rothfuchs (2004) ont remarqué que la perméabilité diminuait avec l’augmentation de la teneur en eau (Figure 1-12). Ces résultats mettent également en évidence une anisotropie de perméabilité (Figure 1-12) qui peut être expliquée par la densité plus importante des pores interconnectés parallèlement au litage (Renner et al., 2000).
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Table des matières
INTRODUCTION GENERALE
CHAPITRE 1 : CONTEXTE GENERALE ET ETUDE BIBLIOGRAPHIE
1.1. Introduction
1.2. Le site de Meuse\Haute-Marne et la formation du Callovo-Oxfordien
1.3. Différentes phases du stockage des déchets radioactifs
1.3.1. Phase d’excavation
1.3.2. Phase d’installation et de stockage des déchets (galeries ouvertes)
1.3.3. Phase de fermeture et après fermeture à court terme
1.3.4. Phase après fermeture à long terme
1.4. Propriétés de l’argilite du Callovo-Oxfordien (site de Bure)
1.4.1. Composition minéralogique
1.4.2. Microstructure
1.4.3. Propriétés physiques
1.4.4. Propriétés hydrauliques
1.4.5. Propriétés thermiques
1.4.6. Propriétés mécanique
1.4.7. Propriété poromécaniques
1.4.8. Comportement thermo-hydro-mécanique
1.5. Conclusion
CHAPITRE 2 : CADRE THERMO-PORO-MECANIQUE POUR LA DETERMINATION DES CARACTERISTIQUES D’UN MILIEU POREUX
2.1. Introduction
2.2. Comportement thermo-mécanique
2.2.1. Comportement thermo-poro-élastique
2.2.2. Réponse volumique sous sollicitation thermo-mécanique isotrope
2.2.3. Comportement volumique en condition oedométrique
2.3. Conclusion
CHAPITRE 3 : TECHNIQUES EXPERIMENTALES
3.1. Matériau étudié
3.1.1. Succion initiale et état de saturation des éprouvettes
3.2. Dispositifs Expérimentaux
3.2.1. Oedomètre Haute Pression
3.2.2. Cellule Isotrope à Faible Chemin de Drainage
3.2.3. Cellule Triaxiale à Cylindre Creux
3.3. Phase de saturation
3.3.1. Procédure de saturation
3.3.2. Vérification de la qualité de saturation
CHAPITRE 4 : COMPORTEMENT EN COMPRESSION/GONFLEMENT OEDOMETRIQUE DE L’ARGILITE DU CALLOVO-OXFORDIEN
4.1. Introduction
Oedometric compression and swelling behaviour of the Callovo-Oxfordian Argillite (Article)
CHAPITRE 5 : COMPORTEMENT THERMO-HYDRO-MECANIQUE DE L’ARGILITE DU CALLOVO-OXFORDIEN
5.1. Introduction
5.2. Comportement hydro-mécanique à 25°C
5.2.1. Compression isotrope drainée à 25°C, disque plein
5.2.2. Compression isotrope, cylindre creux
5.2.3. Conclusion sur le comportement hydromécanique
5.3. Comportement thermo-hydro-mécanique
5.3.1. Essai EST28522 N°1
5.3.2. Essai EST28520 N°2
5.3.3. Comparaison de deux essais EST28522 N°1 et EST28520 N°2
5.3.4. Pressurisation thermique de l’argilite du Callovo-Oxfordien (Article)
5.3.5. Conclusion sur le comportement thermo-hydro-mécanique
CONCLUSION GENERALE ET PERSPECTIVE
REFRENCES
ANNEXE
