Le stockage souterrain peut entrainer la fracturation des roches hôtes

Notre société s'intéresse de plus en plus au stockage dans les couches rocheuses souterraines. Celles-ci sont composées d’un squelette solide et d’un réseau de microcavités (pores) remplies soit d’eau (on parle alors de milieu saturé), soit d’un mélange eau/air (milieu insaturé). Dans de nombreux cas de figure, comme le stockage profond des déchets nucléaires ou industriels, le piégeage du CO₂ à long terme, ou encore l’utilisation de ressources énergétiques à court terme, la roche hôte est insaturée et le stockage tend à renforcer cette insaturation. Or, dans les roches poreuses, les variations de la pression de l’eau jouent un rôle majeur dans leur déformation. Lorsque la pression de l’eau atteint des valeurs négatives (c’est à dire inférieures à la pression lithostatique), une tension capillaire peut alors s’installer, ce qui peut conduire à endommager la roche hôte.

Dans une nouvelle étude, des chercheurs se sont intéressés à l'effet mécanique qu'une telle tension dans les pores peut avoir sur le champ cristallin environnant, grâce à des expériences de laboratoire à l’échelle des pores. Des procédures microthermométriques ont été effectuées sur un fluide piégé dans une cavité solide synthétique pour générer de grandes contraintes de traction. Les champs de contraintes résultants dans le quartz hôte ont pu être visualisés par microspectrométrie Raman et comparés à un champ modélisé numériquement avec une approche d’élasticité linéaire. Les expériences démontrent que des dommages importants sont produits dans les matériaux par la tension des pores. Le stress induit reste modéré mais il est capable de fracturer le quartz. Le volume de la cavité est un paramètre de contrôle important pour l'amplitude de la contrainte. Les hétérogénéités cristallines du solide sont un autre paramètre majeur pour localiser le stress moyen et l’accumulation de contraintes. Autrement dit, de faibles contraintes peuvent conduire à la rupture de la roche, éventuellement amplifiées à la pointe des microfissures en raison de défauts préexistants dans la roche, via des processus lents persistants à long terme.

Ces résultats indiquent qu’il faudrait intégrer la micromécanique à l'échelle des pores dans l'évaluation de la sécurité du stockage géologique de divers déchets. Ils montrent également l’amplification énorme des hétérogénéités sur la propagation du stress et sa localisation le long de certaines directions, favorisant l’endommagement des minéraux contenant de l’eau, des roches ou des réseaux poreux.

Cette étude a été effectuée dans le cadre de l’Equipex PLANEX et a bénéficié du soutien du Labex VOLTAIRE.