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Résumé
Introduction: Au site d'essais du Grimsel (GTS), la zone de cisaillement située au point 420 dans le tunnel de ventilation (VT) est une prolongation directe de la zone de cisaillement AU 96 utilisée pour les essais hydrauliques et les essais de migration de traceurs. Au site VT 420, on a prélevé une carotte de 20 cm de diamètre, en y laissant intactes les fragiles structures bréchiques de la faille centrale. Après plusieurs phases de durcissement de la carotte, on y a taillé des lames minces selon les trois plans principaux de l'ellipsoïde de déformation, c'est à dire perpendiculairement et parallèlement au clivage et à la linéation d'étirement. Une imprégnation de résine fluorescente sous vide a permis l'examen au microscope des pores.
Zone de cisaillement ductile: Au site VT 420, la zone de cisaillement ductile présente une épaisseur de 0.15 à 0.9 m. Elle est orientée WSW-ENE et plonge fortement vers le SSE. Elle est subparallèle au clivage (zone S). La direction de cisaillement est subverticale, parallèle à la linéation formée par l'étirement des minéraux. Si l'on regarde vers l'E, le cisaillement s'est effectué dans le sens inverse des aiguilles d'une montre. On peut admettre un cisaillement total d'au moins 3 m. La structure de la zone de cisaillement ductile peut être mise en relation avec le métamorphisme alpin des schistes verts, et avec le développement d'un clivage régional. La déformation est purement ductile. Elle comprend la formation d'une série de zones de mouvement mylonitiques à l'intérieur de la zone de cisaillement. Les zones mylonitiques sont riches en micas, et d'une granulométrie plus fine que celle des roches environnantes. La zone de cisaillement possède une asymétrie marquée, avec une terminaison abrupte sur la bordure nord de la zone de cisaillement (gradient de déformation très élevé), et une transition graduelle sur sa bordure sud.
Déformation cassante: Au cours du soulèvement régional, la zone de déformation ductile a été réactivée et soumise à une déformation cassante. Il en est résulté la formation de brèches de faille non cohésives d'épaisseur millimétrique, particulièrement dans les zones très mylonitisées et dans les endroits à fort gradient de déformation. Génétiquement, les brèches de faille sont le résultat d'un broyage. Elles sont composées d'éléments anguleux noyés dans une matrice riche en micas. Ces brèches de faille peuvent avoir pour origine le soulèvement différentiel des blocs rocheux, ainsi que des mouvements périodiques dus aux marées terrestres et aux fluctuations des niveaux d'eau dans les réservoirs tout proches.
Porosimétrie quantitative: La détermination quantitative du volume des pores interconnectés de différents types de roches de la zone de cisaillement a été tentée par différentes méthodes: injection de mercure, pesage de la teneur en eau, imprégnation au métacrylate de polyméthyle. La porosité des brèches de faille n'a pas pu a être mesurée directement, faute de cohésion de la roche. Elle a été estimée à 10 – 30 % du volume par l'examen de lames minces. En raison de leur structure dense et recristallisée, les roches ultramylonitiques dans lesquelles sont souvent noyées les brèches de faille ont une porosité plutôt faible, qui parfois ne dépasse pas 0.5 % du volume. La porosité augmente avec la décroissance du degré de déformation ductile. Elle dépasse fréquemment 1 % du volume dans la matrice granodioritique. La porosité des granodiorites faiblement déformées décroît avec l'augmentation de la distance à la paroi du tunnel (10 % de décroissance sur les 20 premiers cm). On pense que cela est dû à une microfracturation provoquée par la construction du tunnel.
Extrapolation à une plus grande échelle des structures observées: La surface limitée des affleurements dans le tunnel nous a poussé à tenter d'extrapoler à une plus grande échelle les structures observées, en utilisant les informations des levées géologiques de surface. On peut suivre au réservoir du Räterichsboden des zones de cisaillement similaires à l'échelle métrique ou décamétrique. On pense qu'on peut extrapoler la géométrie de la zone de cisaillement décrite sur une longueur d'environ 100 m.
Conséquences pour les écoulements souterrains: A l'heure actuelle, les déformations cassantes constituent le milieu principal des écoulements souterrains. La brèche de faille centrale n'a pas été cimentée hydrothermalement, elle est donc très poreuse. La roche ultramylonitique en bordure de la brèche de faille est nettement plus étanche que la roche voisine, mais elle contient tout de même des pores planaires le long des stries micacées (porosité de silicates feuilletés). Ces pores fournissent une bonne connexion hydraulique entre la brèche de faille et les gneiss granodioritiques moins déformés, en dehors de la zone de cisaillement. La matrice granodioritique présente un réseau bien développé de pores interconnectés, entre et à travers les grains. Les feldspaths présentent aussi de nombreux pores de dissolution, considérés comme la marque des fluides du métamorphisme alpin.
Suggestions pour la révision des modèles conceptuels: on propose une révision des modèles conceptuels en ce qui concerne la géométrie des pores et les phénomènes hydrodynamiques et de transport. Le modèle géométrique est principalement basé sur la définition de paramètres à l'échelle microscopique, à partir de l'observation de lames minces (par exemple largeur des pores, extension et orientation). Le modèle est constitué de 3 domaines: 1) les brèches de faille sont représentées par un système de plaques d'orientation et d'épaisseur variable, les plaques étant constituées d'un milieu poreux, 2) les roches mylonitiques sont décrites par un réseau de fractures très anisotropique (pores de silicates en feuillets), 3) les gneiss granodioritiques entourant la zone de cisaillement sont représentés par un réseau de fractures modérément anisotropique (pores aux limites des grains). Entre ces 3 domaines, les pores sont interconnectés. Ce modèle géométrique à petite échelle peut être extrapolé à plus grande échelle au moyen de techniques courantes de traitement des moyennes. On a examiné dans chacun des domaines l'importance relative du transport par advection, dispersion et diffusion. On pense que dans les brèches de faille la dispersion mécanique et l'advection sont prépondérantes, tandis que dans les deux autres domaines, la diffusion moléculaire joue le rôle principal. La zone de cisaillement utilisée pour les essais de migration peut donc être décrite par un modèle de transport à double porosité.
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