D ÉTECTION ET CARTOGRAPHIE DES FRACTURES PAR LA
2.1. R ÉSUMÉ ET MOTIVATIONS DE L ’ ARTICLE
Dans les massifs rocheux fracturés, les fractures sont considérées comme des chemins qu’empruntent les flux souterrains. La caractérisation des fractures présentes dans le sous-sol est par conséquent essentielle pour de nombreuses applications géomécaniques et hydrogéo-logiques. Dans le contexte particulier de l’enfouissement des déchets nucléaires en profon-deur, contexte qui motive ce sujet de thèse, les réseaux de fractures sont vus comme des conduits potentiels pour le transport de contaminants radioactifs dans le cas d’une fuite des barils de déchets.
La méthode géophysique « Ground Penetrating Radar » (GPR) a déjà montré dans de nom-breuses études sa capacité à imager les fractures dans le sous-sol de par sa réflexion générée par contraste diélectrique entre la fracture remplie d’un matériau (minéraux, eau, air) et la ma-trice rocheuse environnante (p. ex. Davis and Annan (1989), Dorn et al. (2011a) et Seol et al. (2001)). La réflexion GPR est d’autant plus forte si la fracture a une grande ouverture et est remplie par un fluide (p. ex. Grasmueck (1996) et Tsoflias and Becker (2008)) mais d’autres études ont également montré la capacité du GPR à imager des fractures d’ouverture sous-millimétrique expliquée par le phénomène de la réflexion en « couche mince » (multiples ré-flexions internes au sein de la fracture) (p. ex. Grégoire and Hollender (2004) et Shakas and Linde (2015)).
Aux profondeurs équivalentes à celles visées pour un stockage de déchets nucléaires (entre 400 et 600 m sous le niveau de la mer), les fractures comprises dans le massif rocheux cris-tallin sont extrêmement fines et très peu perméables. Dans cet article, nous visons à évaluer la capacité du GPR à imager ces fractures sous-millimétriques et tentons de répondre à deux questions :
1) LES RÉFLEXIONS GPR OBSERVÉES SONT-ELLES DUES UNIQUEMENT À DES FRACTURES OUVERTES ET TRANSMISSIVES OU PROVIENNENT-ELLES ÉGALEMENT D’AUTRES DISCONTINUITÉS GÉOLOGIQUES DE TYPES CONTACTS GÉOLOGIQUES, DYKE, INTRUSION MAGMATIQUE, ETC. ?
2) QUELLE EST LA PROPORTION DE DÉTECTION DES FRACTURES OUVERTES ET LA GAMME DE DÉTECTION EN TERMES DE TAILLES ET D’ORIENTATION DE FRACTURES ?
Pour répondre à ces questions, nous avons mené des expériences de terrain dans le labora-toire souterrain (« Äspö Hard Rock Laboratory ») situé sous l’île d’Äspö dans le Sud-Est de la Suède. Ce laboratoire est destiné aux expériences de caractérisation du socle cristallin frac-turé considéré comme futur réceptacle de déchets nucléaires (p. ex. en Suède, Finlande et Canada). Nous focalisons notre étude dans un tunnel (appelé TAS04) situé à 410 m de
pro-La première question a été abordée par plusieurs expériences et analyses. pro-La première con-sistait à acquérir des données 3-D GPR de surface, en configuration dite « common-offset » (càd. les antennes émettrice et réceptrice sont séparées d’une distance fixe) sur une zone d’investigation de dimension 19 x 3.4 m (longueur x largeur), selon trois fréquences d’antennes (160, 450 et 750 MHz). Chacun des blocs 3-D de fréquence est composé de 34, 69 et 69 profils parallèles, séparés de 10, 5 et 5 cm, et de profondeur 10, 8 et 5 m respectivement par fré-quence. Au total, 17 réflexions subhorizontales ont été identifiées. Afin de déterminer la nature de ces réflexions, trois forages entre 9.0 et 9.5 m de profondeur (appelés BH1, BH2 et BH3) ont été creusés. À partir de ces forages, différentes expériences et analyses ont été effectuées. Pendant le creusement des forages, une étude de connectivité entre puits a été réalisée. Au total, deux zones de BH2 (3.2-3.5 m et 7.1-7.5 m) sont connectées à BH1 et trois zones de BH3 (1.9-2.2 m, 4.9-5.2 m et 6.4-9.5 m) sont connectées à BH1 et BH2. Ensuite des expé-riences hydrauliques (pompage et injection) réalisées dans chacun des forages par sections de 1 m (à partir de 1.0 m jusqu’à 9.0 m) ont permis d’identifier les sections les plus transmis-sives. Au total, seulement 5 sections sur 21 ont donné des réponses de flux mesurées au-dessus du seuil de détection du débitmètre (2 mL/min). Ces sections correspondent à des transmissivités de l’ordre de 10-10 m²/s. Nous avons ensuite comparé les réflexions GPR inter-sectant les puits avec les zones identifiées comme les plus transmissives et avec la nature des fractures observées sur les carottes des forages et sur les images prises par une caméra insérée dans ceux-ci. Cette analyse nous a permis d’observer que la plupart des réflexions GPR intersectant les puits sont situées dans les sections les plus perméables et que leurs caractéristiques (en termes d’ouverture et d’orientations) sont cohérentes à celles des frac-tures observées le long des forages. Ces réflexions sont donc issues des fracfrac-tures ouvertes et d’orientation subhorizontale (dip < 35°).
La deuxième question a été abordée par une analyse statistique des traces de fractures exa-minées sur les parois du tunnel d’étude ainsi que celles des tunnels adjacents situés à la même profondeur. Au total, 3513 traces de fractures ont été utilisées pour construire un modèle sta-tistique 2-D de distribution des longueurs de traces et en déduire un modèle 3-D stasta-tistique de distribution des longueurs de fractures. De ce modèle, nous avons déduit que la méthode GPR de surface est capable d’identifier 80% des fractures ouvertes et d’orientation subhorizontale. Il nous montre également que la gamme des tailles de fractures comprises entre 1-10 m² ima-gée par le GPR est en cohérence avec le modèle 3-D de distribution des longueurs de fractures indiquant que les longueurs de fractures sont préservées et qu’il n’y a pas de biais d’échantil-lonnage par la méthode GPR.
La conclusion de cet article nous mène à dire que la méthode de surface GPR montre toute son efficacité dans l’imagerie des fractures d’ouverture sous-millimétrique les plus perméables
comprises dans des formations caractérisées comme très faiblement perméables. Ces résul-tats suggèrent que la méthode pourrait jouer un rôle non négligeable dans les études géotech-niques tels que par exemple dans les décisions industrielles sur le choix d’emplacement des déchets nucléaires en profondeur.