Characterization and modeling of natural tracers transfers through the argillites of Tournemire
Caractérisation et modélisation des transferts de traceurs naturels dans les argilites de Tournemire
Résumé
The French Institute for Protection and Nuclear Safety (IPSN) is investigating the argillaceous formation of Tournemire (France) as a methodological underground laboratory for conducting research on the feasibility of deep geological repositories for radioactive waste in argillites. Because of the very low water content and hydraulic conductivity of the argillites, the migration through this media should be very low. The fluid flow regime and transport have been studied using natural tracers from the interstitial water.
The deuterium and chloride of interstitial water have been chosen for their conservative behavior. After the development of a protocol for the chloride extraction from the water, and tests on the vacuum distillation method for the water extraction from the rock, systematic data acquisition has been performed on the argillaceous sequence of the massif and near the fracture areas. Both chloride and deuterium profiles suggest that transfers are mainly diffusive at the massif scale. But the profiles show an enrichment in ?D and ?18O of the interstitial solution in the area of one meter adjacent to a fracture compared to pore water of samples located at further distance. Therefore, these observations are suggesting that a second process could generate specific transfers, at the vicinity of faults.
The hypothesis of the molecular diffusion as a dominant process for transport was successfully tested using a transport model, over periods of several tenth of millions years, taking into account geodynamical features of the region (such as tectonic and induced faults), and assuming that some variations of the tracer concentrations at the system boundaries occurred during the major climate-change periods.
Even if tracers' transfers are mainly diffusive at the massif scale, they are or should have been affected by a second process causing heterogeneity of concentrations at the vicinity of faults. This process involves either, intrusion of salted solutions or internal transfers due to overpressures.
The deuterium and chloride of interstitial water have been chosen for their conservative behavior. After the development of a protocol for the chloride extraction from the water, and tests on the vacuum distillation method for the water extraction from the rock, systematic data acquisition has been performed on the argillaceous sequence of the massif and near the fracture areas. Both chloride and deuterium profiles suggest that transfers are mainly diffusive at the massif scale. But the profiles show an enrichment in ?D and ?18O of the interstitial solution in the area of one meter adjacent to a fracture compared to pore water of samples located at further distance. Therefore, these observations are suggesting that a second process could generate specific transfers, at the vicinity of faults.
The hypothesis of the molecular diffusion as a dominant process for transport was successfully tested using a transport model, over periods of several tenth of millions years, taking into account geodynamical features of the region (such as tectonic and induced faults), and assuming that some variations of the tracer concentrations at the system boundaries occurred during the major climate-change periods.
Even if tracers' transfers are mainly diffusive at the massif scale, they are or should have been affected by a second process causing heterogeneity of concentrations at the vicinity of faults. This process involves either, intrusion of salted solutions or internal transfers due to overpressures.
L'Institut de Protection et de Sûreté Nucléaire a sélectionné le massif de Tournemire (Aveyron) pour installer sa station expérimentale dans le cadre de ses recherches sur les capacités de confinement des milieux argileux pour le stockage de déchets radioactifs. Compte tenu des très faibles teneur en eau et perméabilité des couches argileuses des argilites, la migration dans ce milieu devrait être très faible. L'écoulement et le transport ont été étudiés en utilisant des traceurs naturels de la solution interstitielle.
Après le développement d'un nouveau protocole pour l'extraction du chlorure de l'eau porale et des tests sur la méthode de distillation sous vide de la roche pour la mesure du deutérium de l'eau porale, l'acquisition de données pour ces deux traceurs (étudiés pour leur comportement géochimique conservatif) a été effectuée sur la séquence géologique du massif et à proximité des fractures. Les profils de données obtenus suggèrent que le processus majeur de transferts dans le massif soit la diffusion moléculaire mais ils montrent un enrichissement en ?D et ?18O de la solution interstitielle, jusqu'à un mètre à proximité des fractures, comparé à l'eau porale dans la matrice au-delà de cette zone. Ces observations suggèrent qu'un second processus de transport puisse générer des transferts spécifiques à proximité des fractures.
L'hypothèse du processus de diffusion moléculaire à l'échelle du massif a été testée par un modèle de transport, sur une période de plusieurs dizaines de millions d'années, en prenant en compte les caractéristiques géodynamiques de la région (telles que la tectonique et la fracturation induite), et en proposant des scénarios de variations des concentrations de traceurs aux limites du système pour représenter les changements climatiques majeurs. Les transferts de traceurs dans le massif, principalement diffusifs, sont ou ont pu être affectés par un second processus engendrant l'hétérogénéité des concentrations à proximité des fractures. Ce processus implique soit une intrusion de solutions salées, soit des transferts internes au massif dus à des surpressions.
Après le développement d'un nouveau protocole pour l'extraction du chlorure de l'eau porale et des tests sur la méthode de distillation sous vide de la roche pour la mesure du deutérium de l'eau porale, l'acquisition de données pour ces deux traceurs (étudiés pour leur comportement géochimique conservatif) a été effectuée sur la séquence géologique du massif et à proximité des fractures. Les profils de données obtenus suggèrent que le processus majeur de transferts dans le massif soit la diffusion moléculaire mais ils montrent un enrichissement en ?D et ?18O de la solution interstitielle, jusqu'à un mètre à proximité des fractures, comparé à l'eau porale dans la matrice au-delà de cette zone. Ces observations suggèrent qu'un second processus de transport puisse générer des transferts spécifiques à proximité des fractures.
L'hypothèse du processus de diffusion moléculaire à l'échelle du massif a été testée par un modèle de transport, sur une période de plusieurs dizaines de millions d'années, en prenant en compte les caractéristiques géodynamiques de la région (telles que la tectonique et la fracturation induite), et en proposant des scénarios de variations des concentrations de traceurs aux limites du système pour représenter les changements climatiques majeurs. Les transferts de traceurs dans le massif, principalement diffusifs, sont ou ont pu être affectés par un second processus engendrant l'hétérogénéité des concentrations à proximité des fractures. Ce processus implique soit une intrusion de solutions salées, soit des transferts internes au massif dus à des surpressions.
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