Mobility of natural radionuclides in deep sedimentary formations as inferred by (234U/238U) radioactive disequilibria : application to the mesozoic formations of the eastern part of the Paris basin
Traçage de la mobilité des radionucléides naturels en milieu sédimentaire profond à l'aide des déséquilibres radioactifs (234U/238U): Application aux formations mésozoïques de l'Est du Bassin de Paris
Résumé
This thesis forms part of the geological investigations undertaken by the French agency for nuclear waste management, ANDRA, around the Meuse/Haute-Marne Underground Research Laboratory (URL) located in the Eastern part of the Paris Basin in order to evaluate the feasibility of high-level radioactive waste repository in deep argilite formations. The aim of the study is to examine the radionuclide migration in the deep Callovo-Oxfordian target argilite layer and its surrounding low- permeability Bathonian and Oxfordian limestone formations in order to assess the long term confining capacities of the sedimentary series. This study is based on measurement of radioactive disequilibria within U-series by Multiple-Collector Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry (MC-ICP-MS). The high precision and accuracy achieved allowed to demonstrate the 234U/238U radioactive equilibrium in the Callovo-Oxfordian argilites. This result shows the uranium immobility in the target formation and provides a strong evidence for the current chemical stability and closure of the system for uranium and most probably for the other actinides. This is a fundamental result with respect to the problematic of disposal of high level radioactive waste in deep geological formation since it provides a in situ indication of the confining capacities of the clayey target formation in the current settings. Conversely, (234U/238U) disequilibria are systematically observed within zones, located in the surrounding carbonate formations, that are characterized by pressure dissolution structures (stylolites or dissolution seams). These disequilibria provide evidence for a discrete uranium relocation during the last two million years in the vicinity of stylolitic structures. This is a surprising result since it is generally supposed that these deep, low permeability, compact formations behave as closed system at the time scale of the U-series.
Cette thèse s'inscrit dans le cadre des études de "faisabilité" du stockage des déchets nucléaires en formations géologiques profondes. Elle s'intègre au programme de recherche conduit par l'agence française pour la gestion des déchets nucléaires (ANDRA) sur le site expérimental Meuse/Haute-Marne de type "argile", situé dans les formations sédimentaires Mésozoïques faiblement perméables de l'Est du bassin parisien. L'étude a pour objet la caractérisation de la migration des radionucléides naturels au sein de la formation argileuse Callovo-Oxfordienne cible et de ses encaissants carbonatés Oxfordien et Bathonien, afin d'estimer les propriétés de confinement à long terme de cette série sédimentaire. Elle repose sur l'analyse de haute précision des déséquilibres radioactifs au sein des familles naturelles de l'uranium et du thorium. L'intérêt de faire appel aux déséquilibres U-Th réside dans le fait qu'ils sont susceptibles, d'une part, de mettre en évidence et de caractériser les processus contrôlant la mise en solution et la migration in situ des radionucléides et, d'autre part, de fournir des indications temporelles sur les processus et perturbations physico-géochimiques auxquelles la formation géologique a été soumise sur des échelles de temps variables, selon les isotopes utilisés, mais pouvant atteindre jusqu'à deux millions d'années environ, via le déséquilibre 234U/238U. Les objectifs initiaux de l'étude étaient: i) de déterminer en particulier l'état d'équilibre -ou de déséquilibre- radioactif entre l'uranium-238 et son descendant l'uranium-234 (T1/2 (234U) = 245250 a) dans les formations profondes au sein desquelles le laboratoire expérimental de l'ANDRA est en cours d'implantation; ii) de caractériser, le cas échéant, les processus responsables des déséquilibres radioactifs observés; et iii) d'en préciser les implications chronologiques en ce qui a trait à la stabilité chimique de ces formations géologiques. Compte tenu de ces objectifs, la précision et la justesse analytique des mesures des déséquilibres radioactifs (234U/238U) sont apparues comme la clé de la réussite d'une telle entreprise. Une grande partie des travaux a donc été consacrée à la mise au point de l'analyse des déséquilibres radioactifs à l'aide d'un spectromètre de masse à multi-collection et source plasma (MC-ICP-MS). In fine, une reproductibilité analytique de l'ordre de 1‰ (2 s) pour la détermination du rapport 234U/238U sur échantillons géologiques a été obtenue. Haute précision et justesse analytique nous ont ainsi permis de démontrer un état d'équilibre radioactif 234U/238U dans les argilites Callovo-Oxfordiennes. Ce résultat indique l'immobilité de l'uranium dans la formation cible et, par suite, atteste d'un milieu chimiquement inactif et clos, du moins au cours de la période actuelle, pour ce qui concerne l'uranium et, par extension, les actinides naturels. Ce résultat est fondamental au regard de la problématique d'enfouissement des déchets radioactifs car il procure une confirmation in situ des capacités de confinement de la couche argileuse cible, dans les conditions physico-chimiques actuelles. A contrario, des déséquilibres (234U/238U) ont été systématiquement observés au niveau de zones soumises à des processus de pression-dissolution (stylolites) dans les formations carbonatées encaissantes de l'Oxfordien et du Bathonien. Ces déséquilibres témoignent d'une remobilisation discrète de l'uranium au cours des derniers deux millions d'années et donc de processus actifs de transport de matière au sein de ces formations. La répartition isotopique de l'uranium telle qu'elle a été révélée, par un sous-échantillonnage systématique au niveau des surfaces de pression-dissolution et par la réalisation d'analyses sériées perpendiculairement à un joint stylolitique, a permis de mettre en évidence une relocalisation de l'uranium depuis la surface stylolitique vers la matrice carbonatée de part et d'autre du stylolite. Bien que soumise à des transferts de matière, une zone stylolitisée fonctionnerait en toute vraisemblance en système fermé vis-à-vis de l'uranium. Ce résultat est surprenant tant ces formations profondes, fortement compactées et peu perméables, ne semblaient pas pouvoir être sujettes à des transferts de matière significatifs à l'échelle de temps des déséquilibres U-Th. Bien qu'il soit pour l'instant difficile de conclure de façon univoque à ce sujet, il est probable que ce phénomène traduit une stylolitisation encore active, ou tout du moins, une réactivation du phénomène au cours des deux derniers millions d'années.