La perturbation chimico-minéralogique (Hydratation, état d'oxydation, eau interstitielle) de la zone perturbée excavée et ses relations avec la perturbation texturale et mécanique : application aux argilites des galeries de Bure, Mineralogical and chemical disturbance (hydration, redox state, pore water) of the excavated and disturbed zone and their relation with the mechanic and textural disturbance : application to argillites from the underground laboratory of Meuse – Haute/Marne (ANDRA)

Î
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U.F.R Sciences et Techniques de la Matière et des Procédés
Ecole doctorale RP2E (Ressources, Produits, Procédés et Environnements)

THESE
Présentée pour l’obtention du titre de

Docteur de l’Université Henri Poincaré, NANCY I
en Géosciences

par Olivier BELCOURT

La perturbation chimico!minéralogique (Hydratation,
état d'oxydation et eau interstitielle) de la zone
perturbée excavée et ses relations avec la perturbation
texturale et mécanique ; application aux argilites des
galeries de Bure

Soutenance publique le 16 novembre 2009

Membres du Jury :

Rapporteurs : Bertrand FRITZ Directeur de recherches, CNRS, Strasbourg
Jean!Luc BOUCHEZ Professeur, Université Paul Sabatier / OMP,
Toulouse

Directeur de thèse : Michel CATHELINEAU Directeur de Recherche CNRS, Nancy

Examinateurs : Stéphane BUSCHAERT Ingénieur, Andra, Châtenay!Malabry
Jean DUBESSY Directeur de Recherche, CNRS, Nancy
Nicolas MICHAU Ingénieur, Andra, Châtenay!Malabry

Invité (Co!directeur de thèse) :
Frédéric VILLIERAS Directeur de Recherche, CNRS, Nancy

UMR 7566 ! Géologie et Gestion des Ressources Minérales et Energétiques
Faculté des Sciences & Techniques, BP239, 54501 Vandoeuvre !lès –Nancy2 Résumé


Les argilites subissent au cours de l’excavation des galeries des modifications de leur
environnement. L’ouverture de galeries ou alvéoles provoque en effet la pénétration de l’air
dans le système naturel eau-argilite, et l’évaporation du fluide interstitiel (phase d’oxydation -
déshydratation), en relation avec la perturbation mécanique liée à l’excavation (gradient de
contraintes lié à “l’appel au vide” induit par le creusement de la barrière géologique (BG)). La
déshydratation, l’oxydation et la fracturation sont les trois principaux processus couplés subis
par l’argilite.
Afin d’observer ces phénomènes, une portion d’une galerie du Laboratoire Souterrain de
Meuse/Haute-Marne de l'Andra n’a pas été recouverte par du béton projeté et permet des
observations et des prélèvements directs des parois au cours du temps. Six forages
horizontaux de 3 à 7 m de long ont été réalisés à des temps allant de 1 mois à 18 mois à
partir de l’ouverture de la galerie et ont permis également de rendre compte de l’évolution des
perturbations spatialement et temporellement.

Les 6 premiers forages ont permis un relevé structural de la fracturation et de son
développement au cours du temps. Les fractures en chevrons, associées à l'excavation ainsi
que les fractures sub-verticales et obliques parallèles aux parois et associées au ent de l'EDZ ont été observées jusqu'à un mètre de profondeur dans la massif.
Les 4 forages effectués en collaboration avec l'Institut Géotechnique et imprégnés de résine
fluoresente ont montré un développement plus important de la fracturation sous le radier
(jusqu'à trois mètres de profondeur, relié à la décompression. Les fractures parallèles aux
parois sont situées dans des bandes de déformation.

Le premier travail de cette étude a consisté à décrire le matériel dans son état "sain", c'est-à-
dire l’argilite entre -490 et -488 m de profondeur juste après le creusement pour vérifier son
homogénéité horizontale et verticale à l’aide de prélèvements en galerie et sur sondage
(sondage FOR1100 de 7 m effectué le lendemain de l’ouverture de la galerie). Les
échantillons ont été étudiés minéralogiquement et géochimiquement par analyse roche totale,
calcimétrie, diffraction des Rayons X, spectrométrie infrarouge à transformée de Fourier,
analyse texturale (surface spécifique et porosité). Les données obtenues montrent une
homogénéité du secteur d’étude ce qui permet de s’affranchir de possibles biais
d’échantillonnage. Les argiles sont dominées par des I/S de caractéristiques intermédiaires
entre celle de la zone à R1 et de la zone à R0 et possédant donc des caractéristiques encore
peu décrites dans la littérature pour le site de Bure (interstratifés illite/smectite gonflants
contenant entre 40 et 50% d’illite. Soufre et fer sont portés à plus de 95 % par de la pyrite
sous différents habitus et liés soit à la bioréduction des sulfates en condition de diagenèse
précoce, soit à la diagenèse de la série (pyrites cubiques), et en particulier en remplissage de
terriers fossiles.

L’effet de l’oxydation se traduit par l’évolution significative du principal marqueur : la pyrite.
La matière organique, deuxième marqueur, évolue de manière moins remarquable.
L’altération des pyrites met en jeu plusieurs processus d’oxydation (biotique et abiotique). La
présence de Thiobacillus est difficile à prouver. Cependant, la mise en évidence d'activité
bactérienne a été possible grâce à l'utilisation de la microscopie confocale. L’oxydation des
pyrites provoque la formation de fluides sulfatés acides qui dissolvent les minéraux
environnants, calcite et argiles principalement. Les calcites, illites et smectites vont
32+ + +
respectivement libérer dans la solution des ions Ca , K et Na . Lors d’une phase ultérieure
de déshydratation de l’argilite, l’évaporation de l’eau porale conduit à la précipitation de
nouveaux minéraux qui sont : le gypse (CaSO , 2H O) (et la bassanite, 2CaSO , H O) , la 4 2 4 2
jarosite (KFe (SO ) (OH) ), la natrojarosite (NaFe (SO )(OH) ), la celestite (SrSO ), des oxy-3 4 2 6 3 4 6 4
hydroxyde de fer (goethite) et du soufre élémentaire (S ) comme le montrent les observations 0
MEB et les analyses Raman. L’observation microscopique de la propagation des phases
d’altération sur les échantillons renseigne sur l’évolution de la perturbation oxydante et donc
sur la pénétration de l’air.
Des expériences de réaction entre eau et roche à rapport liquide/roche croissant (L/R variant
de 1 à 50) et à temps de contact différents (de 1 heure à 1 jour) sur des échantillons plus ou
moins oxydés donnent des informations sur la modification de la chimie de l’eau interstitielle
au contact des paragenèses d'oxydation. Les ions sulfates et sodium sont les deux principaux
ions qui montrent de larges variations pour les rapports L/R faibles (de 2 à 12 mmol/l SO et 4
de 8 à 21 mmol/l Na respectivement) pour des durées d’oxydation de 18 mois. Cela confirme
que le fluide interstitiel prend au cours du temps un caractère sulfaté sodique qui est
responsable de la formation, lors de phases d’évaporation des phases minérales précédemment
citées. La concentration en calcium est contrôlée par l'équilibre avec le gypse. La simulation
thermodynamique utilisant à la fois les données minéralogiques et les données géochimiques
permet de modéliser la composition du fluide interstitiel au contact d'une argilite oxydée.

La dégradation de la matière organique a été étudiée au point de vue moléculaire à partir de
l’analyse de l’abondance de certains marqueurs dans la fraction extractible aux solvants
organiques. Ces marqueurs sont essentiellement les n-alcanes et les hopanes (triterpanes
pentacycliques). Dans le cas de prélèvements en parois de galeries, le signal moléculaire a été
cependant perturbé par des pollutions provenant de la matière organique présente dans le
béton (0,4% pds), béton présent sous forme de poussière et imprégnant l’ensemble du sit