Comprendre le transport de polluants dans les milieux fracturés

En 2018, le CNRS, l’Université de Rennes et la société ITASCA créaient le laboratoire commun La Fractory1  pour développer des recherches sur les milieux géologiques et les risques induits par l’exploitation du sous-sol. Une grande partie de l’activité du laboratoire est consacrée aux socles cristallins fracturés, omniprésents à la surface du globe, au sein desquels l’essentiel des circulations de fluides se fait via des réseaux de fractures connectées entre elles. La Fractory s’est spécialisée dans une méthode de modélisation spécifique pour ces milieux : la méthode Discrete Fracture Network (DFN), où le milieu géologique est représenté par un réseau de pseudo-fractures statistiquement équivalent aux fractures réelles. En lien avec la société suédoise SKB, en charge du stockage souterrain des déchets nucléaires dans leur pays, la Fractory a pour objectif d’améliorer ces modèles de réseaux de fractures et d’accroître la compréhension fondamentale des processus en jeu pour mieux évaluer les risques pour l’environnement en particulier associés à ces stockages.

Les réseaux sous-terrain sont complexes, avec des fractures dont la taille varie du micron à la dizaine de kilomètres. Certaines fractures sont partiellement ou totalement « scellées », donc imperméables aux écoulements, sans que l’on sache exactement comment. La plupart des modèles de réseaux de fractures sont basés sur des lois statistiques déduites d’observations de terrain (affleurements de surface, tunnels et forages), mais ils ne reproduisent que partiellement la complexité des réseaux. La Fractory a développé des modèles dits génétiques qui reproduisent le processus de croissance des fractures au cours des temps géologiques. Ces modèles donnent un fondement théorique aux observations de terrain et reproduisent certaines propriétés, notamment topologiques, qui échappent aux modèles plus classiques.

Il se pose néanmoins aujourd’hui une question fondamentale : quelle est la pertinence de ces différents modèles de réseaux de fractures pour prédire les propriétés des roches fracturées, notamment pour estimer le temps de résidence de l’eau dans les fractures, qui contrôle la dispersion des polluants dans le milieu ? Dans une nouvelle étude, la Fractory a étudié une large gamme de modèles de réseaux, allant des plus simples, constitués de fractures de taille constante, aux plus complexes avec une distribution multi-échelle de fractures partiellement scellées. L’équipe a montré que les temps de résidence des éléments chimiques dans les réseaux de fractures pouvaient être anormalement longs, en contradiction avec les théories classiques d’advection-dispersion2 . Seuls certains modèles DFN reproduisent la dispersion très singulière des éléments chimiques observée sur les essais hydrauliques de terrain.

Cette étude apporte une compréhension fondamentale de la dispersion de solutés transportés par les flux d’eau dans les réseaux de fractures. Celle-ci constitue un socle indispensable pour sélectionner les modèles pertinents, capables de simuler les écoulements souterrains dans les milieux géologiques et ainsi de renforcer leur capacité prédictive. Les concepts et modèles développés par la Fractory sont utilisés dans les analyses du risque de pollution associé au stockage des déchets nucléaires. Ils sont aussi pertinents pour de multiples applications en géothermie profonde ou en gestion de l’eau souterraine.

• 1Ce laboratoire commun est issu du laboratoire Géosciences Rennes (CNRS/Université de Rennes), au sein de l’Observatoire des sciences de l’Univers de Rennes (CNRS/Université de Rennes/Université de Rennes 2) : https://www.bretagne-pays-de-la-loire.cnrs.fr/fr/cnrsinfo/geosciences-rennes-et-itasca-montent-un-laboratoire-commun
• 2Notion courante en mécanique des fluides, qui représente le transport d une quantité donnée, comme la chaleur ou un élément chimique.