3. Observations et évaluation de l'impact des structures géologiques sur l'échange fracture
3.1. Observations des effets des structures géologiques sur l’échange fracture matrice
Les échanges fracture-matrice sont la résultante de plusieurs phénomènes physiques et chimiques dépendant des propriétés du domaine "fractures" et du domaine "matrice" (section 2.2). Une des complexités principales dans la compréhension des transferts est liée à la définition en partie subjective de chacun de ces deux compartiments. L’intérêt de progresser dans l’identification de ces deux compartiments est de pouvoir intégrer dans l’approche double-porosité des informations de structure des milieux obtenues par des mesures géologiques, géophysiques ou hydrauliques. Les réactions du milieu naturel à différentes sollicitations hydrauliques sont à l’inverse une signature de structures géologiques et hydrauliques clés influençant l'échange entre fracture et matrice.
Les impacts des propriétés structurelles du milieu ont été mis évidence par plusieurs expériences. Oden et al. [2008] étudient les échanges aussi bien à l'échelle du bloc qu'à l'échelle du site (site Sellafield, UK) et montrent, à l’échelle du bloc, que la diffusion augmente quand la transmissivité diminue, et à l’échelle du site, que la chenalisation des flux impacte les retards liés à la diffusion. Plus précisément, la présence de chemins plus lents, correspondant à la présence de petites fractures, accentue les effets de retard liés à la matrice. L'importance de la présence de petites fractures pour les transferts a aussi été mise en évidence au cours de l’expérience MADE (US) pour laquelle les observations ne peuvent être reproduites que par un modèle prenant en compte les processus de diffusion aux petites échelles [Harvey and Gorelick, 2000].
Plusieurs auteurs ont montré que les modèles continus classiques tels que les modèles poreux équivalents et/ou les modèles double-porosité ne prennent pas en compte correctement les échanges dans la dynamique du milieu de par leur représentation simplifiée des fractures. Il est alors nécessaire d'utiliser des modèles soit plus complexes, tels que les modèles multi- porosité multi-processus [Gwo et al., 2005; Meigs and Beauheim, 2001], soit basés sur un autre concept de modélisation du milieu représentant explicitement les fractures [Jorgensen et al., 2004]. Les modèles discrets, basés sur une représentation explicite du réseau de fractures,
Observations et évaluation de l'impact des structures
38
ont montré leur efficacité à reproduire les expériences de traçage de nombreuses études de sites à une échelle allant de quelques mètres à la centaine de mètre au maximum [Cvetkovic et al., 2004; Maloszewski and Zuber, 1993] (Figure 21). Dans ces modèles, les informations de localisation, de géométries et de caractéristiques hydrauliques de chaque fracture sont conservées par l'utilisation de l'approche Discrete Fracture Network (DFN) pour représenter le réseau de fractures [Neuman, 2005] et le retard induit par diffusion des solutés dans la matrice est pris en compte par l'utilisation de solutions analytiques [Sudicky and Frind, 1982; Tang et al., 1981]. Classiquement, les modèles discrets considèrent que les solutés circulent par advection dans les fractures et pénètrent par diffusion dans la matrice, le coefficient de diffusion effectif De étant représentatif de l'amplitude des échanges entre les fractures et la
matrice et des hypothèses faites sur l’extension de la matrice.
Figure 21 – Modélisation du site d’Aspo (Suisse) [Cvetkovic et al., 2004].
Ce site est modélisé en utilisant l'approche DFN pour représenter le réseau de fractures et en utilisant une solution analytique pour prendre en compte le retard lié à la diffusion dans la matrice.
Plusieurs études indépendantes révèlent un effet d'échelle du coefficient de diffusion effectif De, ou autrement dit, une augmentation de ce coefficient avec la taille du domaine étudié
[Zhou et al., 2007]. Cette dépendance d'échelle a d'abord été observée en réalisant que le coefficient de diffusion évalué à l'échelle du laboratoire était systématiquement trop faible pour être appliqué à l'échelle du site. La nécessité de surestimer le coefficient de diffusion en augmentant l'échelle d'étude a aussi été observée à l'échelle du site. La Figure 22 montre l'évolution du facteur d'échelle, correspondant au rapport entre le coefficient de diffusion effectif (à l'échelle du site) et le coefficient de diffusion de référence (à l'échelle du laboratoire), en fonction de l'échelle du site étudié pour une quinzaine d'études indépendantes [Zhou et al., 2007]. Plusieurs hypothèses ont été avancées pour justifier cet effet d'échelle du
39
transfert fracture-matrice et toutes les hypothèses mettent en cause l'impact des propriétés structurales du milieu sur l'échange. Plus précisément, il est quasiment établi que la surestimation du coefficient de diffusion compense l'impact d'une propriété du milieu favorisant l'échange mais non représentée dans les modèles utilisés. Cette propriété clé non modélisée peut être une caractéristique à l'échelle de la fracture ou du réseau de fractures. D'après Neretnieks [2002], la présence de fractures remplies de gouge est le facteur favorisant les échanges, alors que pour Zhou et al. [2006] il s'agit de l'existence d'une zone de dégradation à l'interface fracture matrice. Wu et al. [2004] et Liu et al. [2006] mettent en cause les propriétés du réseau de fractures, le premier argumentant que la caractéristique favorable aux échanges est la présence de petites fractures alors que le second met en avant une structuration fractale des réseaux.
Figure 22 – Effet d'échelle du coefficient de diffusion effectif [Zhou et al., 2007].
Une corrélation est observée entre le facteur d'échelle et l'échelle d'observation (taille du site étudié). Le facteur d'échelle est le rapport entre le coefficient de diffusion effectif (à l'échelle du site) et le coefficient de diffusion
de référence (à l'échelle du laboratoire). La mise en évidence d'un effet d'échelle du coefficient de diffusion effectif montre que les échanges fracture-matrice sont influencés par l'échelle des structures considérées.
Observations et évaluation de l'impact des structures
41