Interactions entre fluides et sédiments argileux naturels : étude expérimentale dans des conditions simulant un stockage souterrain de déchets radioactifs

Le comportement de matériaux argileux (Bentonite et sédiments), argilites de l'Oxfordien argileux de la Haute-Marne et siltites de la série albienne de Marcouledans le Gard, a été étudié expérimentalement dans des conditions physico-chimiques proches de celles d'un stockage souterrain de déchets. Les diverses phases de la création et de la mise en place d'un stockage en milieuprofond ont été simulées, en particulier: - les effets consécutifs à l'oxydation à température et taux d'humidité ambiants liés à l'effet de l'entrée de l'air à hygrométrie normale dans les galeries en testant l'effet maximal d'interactions entre les fluides générés sur les microsites à pyrites en cours d'altération et les minéraux constitutifs des sédiments, l' altération liée à une exposition aux intempéries climatiques (cycles d'humectationldessiccation) simulant l'effet d'un entreposage en surface des sédiments, - enfin, des interactions à 80 et 200DC simulant l'effet du stress thermique produit par la mise en place de colis radioactifs de type C (phase de réhydratation sous stress thermique). Les différents traitements ont mis en évidence des comportements similaires des minéraux composant les sédiments étudiés et une évolution commune des caractéristiques des solutions en contact sur des temps d'expériences de 6 mois maximum. L'analyse minéralogique, géochimique et cristallographique montre la préservation des minéraux constitutifs sans évidence de néoformations minérales. L'étude par diffraction des rayons X des fractions argileuses montre cependant des variations de l'espacement interfoliaire des minéraux argileux traduisant des états d'hydratation modifiés. Ceux-ci sont induits par des modifications de la garniture interfoliaire des argiles suite à des échanges cationiques entre le sodium des argiles et le calcium en solution issu de la dissolution des carbonates et du gypse. La cristallochimie des minéraux de type Ils montre, en général, une relativement bonne stabilité des structures cristallines et des occupations des sites octaédriques et tétraédriques (peu de variations significatives des teneurs en Si, Fe, Mg). La capacité d'échange cationique (CEC) des sédiments argileux étudiés varie peu: après 5 cycles d'humectationldessiccation, les argilites de Haute-Marne perdent environ 15 % de leur CEC. La simulation du micro-environnement acide du micro-site à pyrites conduit à une augmentation de la CEC des échantillons de 3 à 25 %. Quelle que soit leur composition de départ, les solutions expérimentales acquièrent un caractère sulfaté lié à la solubilisation des sulfates de type gypse et jarosite des paragenèses d'oxydation des sédiments (altération des pyrites). La dissolution des carbonates, qui sont présents en forte quantité dans les échantillons étudiés, entraîne un effet tampon important et rapide sur les solutions expérimentales dont le pH final est compris généralement entre 7,5 et 8,5. Le rapport liquide sur roche des expérimentations a une influence sensible principalement sur la concentration des éléments issus des minéraux à stock fini dans la roche (sulfates provenant de l'oxydation des pyrites). L'extrapolation des concentrations ioniques en solution pour des rapports liquide sur roche faibles et typiques du milieu géologique conduit à des fluides dominés par SO/-,K+, Ca2+ et Mg2+ ce qui confère au fluide réhydratant la barrière géologique oxydée des caractéristiques significativement différentes de celles supposées pour les fluides des formations encaissantes.The behaviour of clay rich sediments, especially an argilite from Oxfordien of Haute-Marne, a siltite from albian series of Marcoule (Gard) and a bentonite from Wyoming, were experimentally studied under physical-chemical conditions close of those of an underground radioactive waste storage. The several steps of the creation of the storage in deep formation were simulated experimentally, in particular : - the effect due to oxidation at ambient temperature and moisture degree related to the arrival of air in the gallery, was tested, especially the interaction between acid fluids generated at the micron-scale of the altered pyrite microsite and the surrounding mineraIs of the sediment, - the alteration due to weathering (damping/drying cycles) to simulate the effect of a surface storage of the sediments, - and finally, water-rock interactions at 80 and 200°C, which reproduce the thermic stress induced by the deposit of type C radioactive containers (stage ofrehydration under thermic stress). The various simulations lead to rather similar behaviour of mineraIs in the sediment and solutions. Mineralogical, geochemical and crystallographic analyses show that most minerals in sediments are preserved with no evidence of mineraI neoformation. Nevertheless, the study by Xray diffraction shows variations in the interlayer spacing in relation with modifications of the hydration states. Changes in the interlayer occupancy of the clays are due to cationic exchange of the sodium of the interlayer by the calcium issued from the dissolution of carbonate and gypsum dissolution. Ils like mineraIs crystal-chemistry generally display little changes in the tetrahedral and octahedral occupancy and a rather good stability of crystal structure. The cationic exchange capacity (CEC) of the clay sediment display unsignificant variations: after the damping/drying cycles, the argilite of Haute-Marne has lost about 15 % of their bulk CEC and the effect of acid microenvironment at pyrite microsite leads to an increase of the bulk CEC from 3 to 25%. Whatever their initial composition, the experimental solutions acquired a sulphate character in relation with the dissolution of sulphate mineraIs as gypsum and jarosite formed during the oxidation of the sediments. Equilibrium between fluids and carbonates in the rock, constitute a predominant rock forrning mineraI in the studied sediments yield to an important and rapid buffer effect on solutions, which pH ranges between 7,5 and 8,5. The liquidlrock ratio (UR) of the experience has an influence on the concentrations of the elements resulting from the dissolution of mineraIs present in the rock (sulphates from pyrites oxidation). Extrapolated ionic concentrations for low UR ratio typical of the geological formation indicate that the fluid migrating through an oxidised sediment will be enriched in SO/-,K+, Ca2+ and Mg2+ and therefore significantly distinct from that inferred in the deep sedimentary formations