Caractérisation expérimentale et modélisation numérique des propriétés anisotropes hydrauliques et THM de l’argilite du Callovo-Oxfordien

Contexte et motivations de la thèse

Dans le cadre du développement du centre de stockage de déchets radioactifs Cigéo en Meuse/HauteMarne, de nouvelles campagnes de caractérisation sont prévues, avec la réalisation des premiers forages dans la zone d’implantation de l’INB Cigéo et le développement des ouvrages souterrains, pour confirmer les paramètres hydromécaniques de l’argilite du Callovo-Oxfordien et réduire si possible les incertitudes. Si beaucoup d’essais ont été réalisés dans le passé, le développement de nouveaux protocoles d’essais ou de dispositifs innovants pourrait permettre d’améliorer cette caractérisation au regard de la variabilité minéralogique et de réduire les incertitudes. La caractérisation des propriétés hydromécaniques du Callovo-Oxfordien sur échantillons est complexe du fait de son comportement intrinsèque anisotrope et de sa très faible perméabilité, de ses capacités de gonflement, du fluage et de la désaturation initiale induite par le prélèvement et la préparation des échantillons. Par ailleurs, la phase exothermique des déchets entraîne un échauffement de la roche argileuse hôte dans les zones situées à proximité des excavations. Les propriétés thermiques de ces roches argileuses doivent donc être connus afin d'optimiser la conception du stockage.

Le laboratoire GeoRessources, et plus particulièrement l’équipe HGM (HydroGéoMécanique multi-échelles), est impliqué depuis de 3 décennies dans des expériences de laboratoire visant à caractériser la perméabilité et le comportement couplé THM (Thermo-Hydro-Mécanique) de l’argilite du Callovo-Oxfordien. La thèse proposée s’inscrit dans la continuité de ces travaux antérieurs. Elle est motivée par la nécessité de développer de nouvelles techniques de caractérisation de ces propriétés sur échantillons d’une roche argileuse anisotrope.

Objectifs de la thèse

L’objectif des travaux de thèse sera de proposer de nouveaux protocoles d’essais et des dispositifs de mesure innovants, ainsi que la méthodologie (analytique, modélisation numérique) de détermination des paramètres et des incertitudes associées, pour mieux caractériser les propriétés couplées THM de base (coefficients élastiques, coefficients de couplage de Biot, conductivité et diffusivité thermique, dilatation thermique) d’une roche argileuse anisotrope, et la perméabilité (en régime permanent et transitoire). La connaissance de ces propriétés dans des conditions expérimentales très complexes est essentielle pour évaluer la faisabilité et la sûreté à long terme du stockage souterrain de déchets radioactifs. À titre d’exemple, la méthode dite « harmonique » pour la mesure de la perméabilité en régime transitoire sera développée et il pourrait être envisagé de mettre au point des dispositifs permettant de déterminer, sur un même échantillon, des paramètres élastiques statiques et dynamiques et leurs corrélations. Les difficultés résident dans la très faible perméabilité de la roche argileuse, le contrôle parfait de son degré de saturation, son anisotropie structurelle (isotropie transverse), et son hétérogénéité naturelle nécessitant une étude statistique de ses propriétés. Les essais HM et de perméabilité seront réalisés dans des cellules de compression triaxiale spécifiques avec mesure des déformations et contrôle parfait de la température. Les propriétés thermiques seront déterminées à l’aide de dispositif spécifiques (Optical scanning, dilatomètre). L’interprétation des mesures de perméabilité en régime transitoire (pulse test, méthode harmonique) nécessitera l’utilisation de solutions analytiques et des modélisations numériques (COMSOL Multiphysics).

L’UMR 7359 GeoRessources regroupe la plupart des forces en Géologie appliquée de Nancy issues des sections 35, 36 et 60 de la CNU et des sections 18 et 30 du CNRS. GeoRessources est un laboratoire de l’Université de Lorraine et de l’INSU CNRS, avec un rattachement secondaire à l’INSIS CNRS. Les effectifs en personnel permanent dépassent la centaine (44 ITA/IATOS, 60 EC/C), pour un effectif total voisin de 180 personnes.

L’UMR GeoRessources se décline en 3 axes de recherche (Géomodèles, Matières Premières, GéoSystèmes).

L’axe GéoModèles regroupe 2 équipes thématiques intitulées « Géologie Numérique Intégrative » et « Hydrogéomécanique multi-échelles ».

L’axe Matières Premières est composé de 3 équipes thématiques sur les « Ressources carbonées », les « Ressources minérales » et la « Valorisation des ressources et des résidus ».

Enfin l’axe GéoSystèmes, relatif à l’usage anthropique des environnements géologiques, est décliné en 2 équipes thématiques sur les « Stockages géologiques et la géothermie» et sur les « Géomatériaux, Ouvrages et Risques ».

L’UMR GeoRessources est membre de l’OSU OTELo, de l’Institut Carnot ICEEL, du Labex Ressources21 et de l’IEED GéoDénergies. Son personnel enseignant se compose de 20 enseignants-chercheurs de l’ENSG, 10 enseignants-chercheurs de Mines Nancy, 17 enseignants-chercheurs du Département Géosciences, 3 enseignants-chercheurs rattachés à 3 autres cursus.

 

Base solide en mécanique des milieux continus, mécanique des roches, transferts en milieux poreux, physique des roches, modélisation numérique. Des connaissances en géomatériaux seront appréciées. Le goût et intérêt pour les expérimentations en laboratoire sont indispensables. Motivation et esprit d’initiative, capacité de travailler en équipe.