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Contribution of matrix hydraulic conductivity to groundwater flow in highly fractured high-porosity rock with low swelling properties and minimal fracture infill

Grâce à des essais hydrauliques in situ et à une analyse inverse stochastique au Laboratoire de recherche souterrain d'Horonobe, cette étude démontre que dans les mudstones hautement fracturés et à haute porosité présentant de faibles propriétés de gonflement, la conductivité hydraulique matricielle élevée ainsi que les fractures contribuent de manière significative à l'écoulement de l'eau souterraine, quelle que soit la densité de fracturation.

Auteurs originaux : YUSUKE OZAKI

Publié 2026-07-08

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CC BY 4.0

Auteurs originaux : YUSUKE OZAKI

Article original sous licence CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). ✨ Ceci est une explication générée par l'IA de l'article ci-dessous. Elle n'a pas été rédigée ni approuvée par les auteurs. Pour une précision technique, consultez l'article original. Lire la clause de non-responsabilité complète

Imaginez la croûte terrestre comme une éponge géante et ancienne. Habituellement, quand nous pensons au mouvement de l'eau à travers la roche, nous imaginons l'eau s'engouffrant dans de grandes fissures et des crevasses, comme de l'eau circulant dans un tuyau cassé. La roche elle-même (la « matrice ») est souvent perçue comme solide et compacte, laissant passer à peine une goutte d'eau.

Cependant, cette étude menée par Yusuke Ozaki et son équipe de l'Agence japonaise pour l'énergie atomique a examiné un type très spécifique d'« éponge » située profondément sous terre à Hokkaido, au Japon. Cette roche est spéciale : elle est pleine de minuscules trous (haute porosité) et a été écrasée par des forces tectoniques, créant un réseau dense de fissures (fractures de cisaillement). Mais voici le rebondissement : contrairement à beaucoup d'autres roches, celle-ci ne gonfle pas lorsqu'elle est mouillée, et les fissures ne sont pas obstruées par de l'argile ou de la boue.

Les chercheurs voulaient résoudre un mystère : lorsque l'eau se déplace à travers cette roche, circule-t-elle simplement à toute vitesse dans les fissures, ou imprègne-t-elle également la roche elle-même ?

L'expérience : Le test de « montée en palier »

Pour comprendre comment l'eau se déplaçait, l'équipe a percé des trous dans la roche et a effectué un test d'injection d'eau par « montée en palier ». Imaginez que vous tournez le robinet d'un tuyau d'arrosage.

Ils ont commencé par un mince filet d'eau.
Ensuite, ils ont tourné le bouton pour augmenter légèrement le débit.
Ils ont continué ainsi, étape par étape, jusqu'à obtenir un jet puissant.

Si la roche n'était qu'un ensemble de fissures qui s'ouvrent sous la pression (comme une porte qui s'ouvre), la relation entre le débit d'eau et la pression changerait radicalement. Mais la pression augmentait selon une ligne parfaitement droite et prévisible. Cela leur a indiqué que la « plomberie » de la roche ne changeait pas ; les fissures restaient ouvertes et stables, et la roche elle-même ne gonflait pas.

Le travail de détective : La « dimension d'écoulement »

Pour comprendre comment l'eau se déplaçait, l'équipe a utilisé un outil mathématique appelé le modèle d'« Écoulement Radial Généralisé ». Ils ont recherché un nombre appelé la « dimension d'écoulement ».

Dimension 1 (Linéaire) : Imaginez de l'eau coulant dans un couloir unique et étroit. C'est une ligne droite.
Dimension 2 (Radiale) : Imaginez de l'eau se propageant comme une ride à la surface d'un étang. C'est un cercle plat.
Dimension 3 (Sphérique) : Imaginez de l'eau explosant vers l'extérieur en une bulle parfaite, remplissant une sphère.

Dans de nombreuses roches fracturées, les scientifiques s'attendent à ce que l'eau circule dans des « couloirs » (Dimension 1) ou des « rides » (Dimension 2) le long des fissures.

La grande découverte

L'équipe a testé différentes sections de la roche. Certaines sections avaient beaucoup de fissures, d'autres en avaient peu, et une section n'avait absolument aucune fissure.

Voici ce qu'ils ont découvert :

La section « sans fissure » : Même dans la section sans aucune fracture, l'eau circulait ! Elle ne restait pas immobile. La dimension d'écoulement était proche de 3, ce qui signifie que l'eau se propageait de manière sphérique, imprégnant la roche elle-même.
Les sections « avec fissures » : Même dans les sections truffées de fissures, l'eau ne se contentait pas de passer par les fissures en ligne droite. La dimension d'écoulement était toujours élevée (entre 2,2 et 3).

L'analogie : La fête bondée

Imaginez la roche comme une salle de fête bondée.

Les Fissures sont les larges allées entre les tables où les gens peuvent marcher rapidement.
La Matrice de la Roche est la foule de personnes debout épaule contre épaule.

Dans la plupart des roches, si vous lancez un message (l'eau) dans la pièce, il ne voyage vite que s'il trouve des allées. Si les allées sont bloquées ou étroites, le message reste coincé.

Dans cette roche spécifique (la formation de Koetoi), les chercheurs ont découvert que les « personnes » (la matrice rocheuse) se déplacent en fait assez facilement aussi ! Même si vous lancez le message dans un endroit sans allée, il se propage tout de même rapidement car la foule elle-même est poreuse et perméable. L'eau n'utilise pas seulement les « autoroutes » (les fissures) ; elle utilise aussi les « rues locales » (la roche elle-même).

Pourquoi cela importe

Pendant longtemps, les scientifiques ont supposé que dans ce type de roche, les fissures étaient la seule chose importante pour l'écoulement de l'eau. Ils pensaient que la roche elle-même était trop compacte pour laisser passer l'eau.

Ce document prouve que cette hypothèse est fausse. Dans cette roche spécifique à haute porosité et hautement fracturée :

À la fois les fissures et la roche elle-même sont des voies majeures pour l'eau.
L'eau ne suit pas un chemin unique ; elle se propage dans toutes les directions, utilisant à la fois les fissures et les minuscules pores de la roche.

Ce qu'il faut retenir

Les chercheurs ont conclu que, puisque la roche et les fissures travaillent si bien ensemble, nous pouvons traiter un petit morceau de cette roche (d'à peine quelques mètres de large) comme un bloc unique et uniforme possédant des propriétés « moyennes ». C'est une excellente nouvelle pour construire des modèles informatiques afin de prédire comment l'eau (et potentiellement les déchets radioactifs) se déplace sous terre. Cela signifie que nous n'avons pas besoin de cartographier chaque petite fissure pour obtenir une bonne prédiction ; la roche elle-même fait une grande partie du travail.

En bref : La roche n'est pas seulement une coque fissurée ; c'est une éponge qui respire l'eau à travers sa peau, et pas seulement à travers ses fissures.

Résumé technique : Contribution de la conductivité hydraulique de la matrice au flux souterrain dans une roche hautement fracturée et à haute porosité

Énoncé du problème
La modélisation numérique fiable et l'extrapolation spatio-temporelle (upscaling) de l'écoulement des eaux souterraines dans les roches fracturées sont cruciales pour l'évaluation de la sûreté des dépôts géologiques de haute activité pour les déchets radioactifs de haute intensité. Dans les mudstones typiques présentant de faibles propriétés de gonflement et un remplissage de fracture minimal, l'écoulement est généralement contrôlé par la connectivité hydraulique des fractures, laquelle dépend de l'état de contrainte mécanique (spécifiquement la contrainte normale effective). Cependant, la formation Koetoi du Laboratoire de Recherche Sous-Terrain (URL) d'Horonobe présente un cas unique : il s'agit d'un mudstone hautement fracturé et à haute porosité qui présente une connectivité hydraulique de fracture élevée quel que soit l'état de contrainte, malgré des indices de ductilité (DI > 2, DIu > 0,15) qui suggèrent normalement une connectivité limitée.

Bien que la densité de fractures élevée et les espaces vides aux intersections de fractures soient des contributeurs connus à l'écoulement, la formation Koetoi possède également une matrice rocheuse dotée d'une conductivité hydraulique inhabituellement élevée (10⁻¹¹ à 10⁻⁹ m/s) en raison de sa haute porosité. Il reste à déterminer si cette conductivité hydraulique matricielle élevée contribue de manière significative à l'écoulement des eaux souterraines aux côtés des fractures, ou si l'écoulement est uniquement dominé par les réseaux de fractures. Clarifier le rôle de la matrice rocheuse est essentiel pour sélectionner les approches de modélisation appropriées et guider les efforts d'extrapolation des modèles.

Méthodologie
Pour lever cette incertitude, les auteurs ont réalisé des tests d'injection hydraulique par paliers à débit constant in situ dans la formation Koetoi à l'URL d'Horonobe.

Conception expérimentale : Quatre forage de 20 mètres (250-MIG1-1 à 4) et un cinquième forage à proximité (250-MIG1- 5) ont été forés. Les sections de surveillance ont été réparties en fonction de la densité de fractures, allant d'une section sans fractures à des sections contenant jusqu'à cinq fractures.
Essais hydrauliques : Des tests d'injection par paliers à débit constant ont été effectués pour isoler les réponses hydrauliques du couplage hydromécanique (HM). Les taux d'injection ont été augmentés par paliers (5 à 40 mL/min) pour vérifier que la conductivité hydraulique restait constante (réponse de pression linéaire), garantissant que les ouvertures de fractures n'étaient pas modifiées par le test.
Analyse des données : Les auteurs ont utilisé un modèle de flux radial généralisé (GRF), qui unifie les régimes d'écoulement du linéaire au sphérique en utilisant un paramètre de dimension de flux ( $n$ ).
Analyse inverse : Une analyse inverse stochastique utilisant des méthodes de Monte Carlo par chaîne de Markov (plus précisément l'échantillonneur de Metropolis par évolution différentielle) a été appliquée. Cette approche a permis l'estimation simultanée de la conductivité hydraulique ( $K_f$ ), du stockage spécifique ( $S_{sf}$ ), de la compressibilité de la zone de test et de la dimension de flux ( $n$ ), tout en quantifiant les incertitudes et les corrélations des paramètres. Des a priori (priors) forts ont été appliqués au stockage spécifique sur la base de mesures théoriques et in situ afin de garantir des résultats physiquement significatifs.

Résultats clés

Dimension de flux : Les dimensions de flux estimées pour toutes les sections de surveillance, y compris la section sans fractures, étaient systématiquement élevées, variant de 2,2 à 3,0. Une dimension de flux proche de 3 indique un écoulement sphérique, suggérant que l'écoulement n'est pas restreint à des canaux de fracture linéaires.
Section sans fractures : Dans une section de surveillance ne contenant aucune fracture (Section 4 de 250-MIG1-2), des réponses de pression hydraulique ont été observées. L'analyse a identifié de manière unique une dimension de flux d'environ 3 et une conductivité hydraulique de ~10⁻⁹,⁵ m/s. Cela confirme que l'écoulement des eaux souterraines s'est produit à travers la matrice rocheuse seule, en l'absence de fractures.
Conductivité hydraulique : Les conductivités hydrauliques estimées dans les sections fracturées étaient plus élevées que dans la matrice intacte, mais restaient dans le même ordre de grandeur (10⁻¹⁰ à 10⁻⁸ m/s) que la matrice.
Couplage hydromécanique : La relation linéaire entre le taux d'injection et la pression hydraulique a confirmé que le couplage HM était négligeable pendant les tests ; les ouvertures de fractures n'ont pas changé de manière significative sous les conditions de contrainte appliquées.
Volume Élémentaire Représentatif (VER) : La variation de la conductivité hydraulique estimée a convergé en quelques mètres, suggérant que le VER pour la conductivité hydraulique dans cette formation se situe à l'échelle de quelques mètres.

Principales contributions

Quantification de la contribution de la matrice : L'étude fournit une preuve directe in situ que la haute conductivité hydraulique de la matrice contribue de manière significative à l'écoulement des eaux souterraines dans la formation Koetoi, même dans une roche hautement fracturée. L'écoulement n'est pas exclusivement dominé par les réseaux de fractures ou les intersections de fractures.
Validation de l'approche de modélisation : L'application réussie du modèle GRF combinée à l'analyse inverse stochastique a démontré que les dimensions de flux >2 peuvent être identifiées de manière fiable, même dans des environnements hautement fracturés complexes, à condition que les incertitudes des paramètres soient rigoureusement quantifiées.
Orientation pour l'extrapolation (upscaling) : Le fait que le VER converge à une échelle de quelques mètres soutient l'utilisation de propriétés physiques effectives pour la modélisation de l'écoulement des eaux souterraines sur ce site, facilitant l'extrapolation des modèles pour des évaluations de sûreté à plus grande échelle.

Signification et affirmations
L'article affirme que l'hypothèse traditionnelle — selon laquelle l'écoulement dans les mudstones à faible gonflement est contrôlé exclusivement par la connectivité des fractures dépendante de la contrainte — ne s'applique pas pleinement à la formation Koetoi. Au lieu de cela, la haute porosité de la matrice rocheuse crée une voie de haute conductivité qui fonctionne parallèlement aux fractures.

Les auteurs soulignent que la clarification du rôle de la matrice rocheuse est essentielle pour la sélection des modèles numériques appropriés. Les résultats suggèrent que les modèles supposant que l'écoulement est restreint à des réseaux de fractures discrètes peuvent être insuffisants pour cette formation. Au lieu de cela, une approche de double porosité ou un modèle de continuum utilisant des paramètres effectifs dérivés de la haute conductivité de la matrice et des dimensions de flux élevées est plus approprié.

L'étude conclut que bien que les fractures et la matrice rocheuse contribuent toutes deux à l'écoulement, les rôles spécifiques de ces caractéristiques dans le transport de solutés restent à déterminer. Les auteurs notent que des tests de traceurs ultérieurs et des échantillonnages détaillés de carottes sont prévus pour élucider davantage les contributions individuelles des fractures et de la matrice au transport de solutés, mais les tests hydrauliques actuels confirment le rôle de la matrice dans l'écoulement des fluides.