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L'argile

Certains déchets radioactifs ont une durée de vie très longue, pouvant atteindre plusieurs centaines de milliers d’années. Au cours du temps, les ouvrages de stockage se dégraderont progressivement. Ils ne suffiront plus à assurer le confinement des déchets : la couche de roche dans laquelle est construit le stockage prendra alors "le relais" en retardant et en limitant la dispersion des substances radioactives ou chimiques qu'ils contiennent. La couche de roche, choisie pour ses propriétés remarquables, garantit alors l’isolement de ces substances aussi longtemps que cela est nécessaire. En France, ce sont des couches d’argile qui ont été choisies pour jouer ce rôle de barrière naturelle.

Formation des argiles

Présentes sur la quasi-totalité de la surface de la Terre, les roches argileuses sont le résultat d'une lente sédimentation. Les conditions de leur dépôt et de leur formation leur confèrent des propriétés et des caractéristiques tout à fait remarquables dont il est possible de tirer parti pour le stockage de déchets.

Les roches argileuses, une longue histoire…

Au fil du temps, sous l’effet des phénomènes climatiques, les massifs montagneux s’érodent en fragments de roches, transportés par le vent et les eaux. Soumises à la gravité, les particules les plus fines (les minéraux argileux) sont transportées sur de longues distances avant de s’accumuler au fond des océans, mers, lacs et lagunes. Peu à peu, les dépôts présents dans ces grandes étendues d’eau forment par sédimentation une roche argileuse.

Processus de formation de la roche argileuse

On trouve des roches argileuses presque partout à la surface de la Terre, mais toutes ne sont pas identiques. Leurs propriétés et leur composition diffèrent selon les conditions géologiques dans lesquelles elles se sont formées, c’est-à-dire :

  • les conditions climatiques et cosmiques (vent, pluie, neige, constitution et retrait des glaciers, gel et dégel, marées) ;
  • la topographie des sites qu’elles traversent (transport des roches de l’amont vers l’aval sur les versants montagneux),
  • les roches d'origine dont elles sont issues : basalte, granite...

LE SAVIEZ-VOUS ?

La litière que nous déposons dans les caisses de nos chats pour qu’ils fassent leurs besoins contient des particules d’argile. En effet, ces dernières présentent des propriétés de rétention des liquides et des molécules odorantes. En s’hydratant, elles s’agglomèrent, ce qui facilite le tri entre litière propre et litière souillée.

Les propriétés de l'argile

Du fait de leur abondance et de leurs propriétés remarquables, les argiles sont utilisées par l'homme depuis des millénaires. Elles présentent notamment de fortes capacités de rétention des éléments chimiques.

Comment les éléments se déplacent-ils au sein des roches ?

Les roches renferment de minuscules interstices : les pores, dans lesquels il y a de l'eau. L’eau contenue dans ces pores renferme des éléments chimiques dissous comme le chlore ou le sodium. Ces éléments se déplacent naturellement dans le milieu géologique, selon deux modes :

  • un transport par convection, quand l’eau présente dans les pores de la roche se déplace sous l’effet d’une différence naturelle de pression. Elle entraîne avec elle les éléments chimiques dissous.
  • un tranport par diffusion, qui est lié à fune différence de concentration d’un élément chimique entre deux endroits donnés. Les éléments dissous se déplacent des zones les plus concentrées vers les zones les moins concentrées, pour se répartir uniformément. On peut observer ce phénomène très simplement, en déposant une goutte d’encre dans un verre d’eau.

Une barrière naturelle efficace : l’argile

Pour le stockage de déchets radioactifs, il faut tenir compte de l’eau présente dans le milieu géologique. En effet, cette eau joue un rôle important dans l’évolution d’un stockage. Sur plusieurs dizaines de milliers d’années, elle corrode les conteneurs, dissout les substances radioactives contenues dans les déchets et facilite leur déplacement, permettant ainsi leur dispersion dans le milieu géologique.

La vitesse de migration de ces substances dans le milieu géologique varie d’une roche à l’autre. L’argile est une roche aux propriétés remarquables : peu perméable, elle retarde ou limite naturellement leur dispersion dans le milieu géologique.

Les roches sont composées de minéraux, substances solides caractérisées par un agencement particulier d'éléments chimiques. Ceux de l’argile appartiennent à la famille des silicates, constitués d’atomes de silicium et d’oxygène mais également d'aluminium, de fer, de calcium ou encore de potassium... Au sein de l'argile, ils sont organisés en feuillets empilés les uns sur les autres, comme dans un mille-feuille.

Vue au microscope d'une lamelle d'argile

Cet empilement de feuillets a le pouvoir de fixer la grande majorité des éléments chimiques. Au cœur de l’argile, dans l’eau contenue à l’intérieur des pores, ces éléments sont sous la forme d’ions, c'est-à-dire qu’ils sont chargés électriquement. En se déplaçant, ces ions entrent en contact avec les minéraux argileux. Les surfaces argileuses sont chargées négativement, c’est pourquoi elles agissent comme un aimant : 

  • Elles fixent sur de très longues périodes de temps la plupart des ions chargés positivement, les cations, retardant ainsi leur déplacement dans la roche ;
  • Elles repoussent les ions chargés négativement, les anions, limitant ainsi leur déplacement dans la roche.

Une roche pour l’implantation de stockages

Du fait de leurs propriétés de rétention remarquables, les couches argileuses sont utilisées comme barrière naturelle pour le stockage de déchets.  En plus de leurs capacités de rétention, les couches argileuses qui accueillent les stockages français sont sélectionnées en fonction de plusieurs critères auxquels elles doivent également répondre. Ainsi elles doivent :

  • avoir une épaisseur importante;
  • présenter des propriétés constantes et ne pas être traversées de failles;
  • être très peu perméables et encadrées de couches rocheuses où les écoulements d'eau sont également lents;
  • être adaptées au creusement d'ouvrages souterrains, dotées de qualités mécaniques qui limiteront les perturbations dues à la construction de ces ouvrages;
  • être relativement planes, afin de permettre la construction d'ouvrages souterrains.

De même, les couches argileuses choisies doivent être situées à distance de toute source d’activité sismique ou volcanique. Enfin, le site envisagé doit rester éloigné de toute ressource naturelle exploitable (minerai, nappes phréatiques, géothermie…).

LE SAVIEZ-VOUS ?

La taille des pores de la roche argileuse étudiée pour le stockage profond est de l'ordre du millionième de millimètre pour les plus petits.

L'argilite

Agée de 160 millions d’années, l’argilite du Callovo-Oxfordien est une roche argileuse étudiée pour le stockage profond des déchets les plus radioactifs du fait de ses propriétés remarquables. Les recherches portent également sur les roches qui encadrent cette couche d’argile.

160 millions d’années d’histoire…

Le bassin de Paris est une vaste cuvette géologique constituée d’une alternance de couches de roches sédimentaires, à dominante calcaire ou argileuse, déposées dans un environnement marin durant le jurassique moyen et supérieur : de - 175 à - 145 millions d’années.

Au sein de ces différentes couches, se trouve une roche argileuse compacte : l’argilite du Callovo-Oxfordien. Cette couche de roche s’est déposée il y a environ 160 millions d’années, dans un climat plus chaud qu'aujourd'hui, à partir de sédiments déposés au fond d’une mer, qui recouvrait la région aux âges Callovien et Oxfordien, pendant la période jurassique de l’ère secondaire.

Depuis sa formation, cette couche géologique est très stable.

…500 mètres sous terre

Suite à l’enfoncement progressif du bassin de Paris et au dépôt de nouveaux sédiments, cette couche d’argilite, épaisse d’environ 130 mètres, est aujourd’hui située entre 400 et 600 mètres de profondeur. Une profondeur suffisante pour ne pas être affectée par des phénomènes géologiques de surface : érosion, glaciation…tout en étant assez proche de la surface pour que la construction d’ouvrages souterrains soit possible.

De l’argile à l’argilite

Dans le milieu naturel, il existe différents types de roches argileuses, classées suivant leur teneur en argile et en autres minéraux (quartz, carbonates, feldspaths, sulfures…) et suivant leur texture. Le terme argilite désigne une roche argileuse indurée, c'est-à-dire cimentée par des cristaux de quartz et/ou des carbonates, dont la teneur en argile, principalement de la smectite et de l’ilite, est d’environ 40 à 45 %.

L’argilite du Callovo-Oxfordien forme une roche grise, homogène et sèche au toucher, quand elle est en profondeur. Elle est caractérisée par :

  • une très faible perméabilité
  • des circulations d’eau très lentes
  • une capacité de rétention élevée des éléments, radioactifs ou non, dissous dans l’eau
  • une bonne résistance mécanique
  • une régularité sur une grande surface
  • un environnement géologique stable depuis sa formation

Et autour ?

La couche d’argilite du Callovo-Oxfordien est entourés de deux couches de roches calcaires, appelés encaissants, dont la perméabilité, bien que supérieure à celle de l’argilite, reste faible. Datant respectivement d’il y a environ 165 et 150 millions d’années, ces deux couches de roche correspondent à l’empilement de couches calcaires d’environ 300 mètres d’épaisseur chacune.

  • En-dessous : le Dogger calcaire
  • Au-dessus : l’Oxfordien carbonaté

LE SAVIEZ-VOUS ?

Loin de l'argile du potier, la couche d'argile étudiée à environ 500 mètres de profondeur pour le stockage profond de déchets radioactifs est une roche grise, dure et très compacte.

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