Influence de la structure des pores sur le module volumique des grains des massifs rocheux souterrains en conditions hydro-mécaniques

Les roches qui abritent notre avenir sous terre

Lorsque nous cherchons des lieux sûrs pour stocker des déchets nucléaires, du CO₂ ou même de l’hydrogène liquide, nous nous tournons de plus en plus vers des formations rocheuses profondes sous nos pieds. Mais ces roches ne sont pas des blocs pleins : elles sont parcourues de pores microscopiques dont la forme et les connexions contrôlent discrètement la façon dont la roche se compresse, se fissure et, en fin de compte, protège ce que nous y mettons. Cette étude pose une question apparemment simple mais aux grandes conséquences : quelle est la rigidité des grains minéraux dans les roches réelles, et dans quelle mesure l’architecture cachée de leurs pores modifie-t-elle cette réponse ?

Pourquoi la rigidité des roches compte en profondeur

Les ingénieurs décrivent la difficulté à comprimer un matériau par une grandeur appelée module volumique. Pour le stockage géologique profond, une version particulière, le module volumique des grains, est cruciale : elle rend compte de la réduction du cadre minéralogique lui-même lorsque la pression de l’eau poreuse et la pression environnante varient. Ce nombre alimente directement les modèles informatiques qui prédisent la déformation des cavernes souterraines, l’ouverture ou la fermeture des fractures, et les déplacements de fluides sur des décennies à des siècles. Si l’on surestime cette rigidité, les projets de dépôts de déchets ou de sites de stockage d’énergie peuvent sembler sur le papier plus sûrs qu’ils ne le sont en réalité dans la roche.

Tester des roches réelles sous pression égale

Pour mesurer directement cette rigidité à l’échelle des grains, les auteurs ont utilisé un essai spécialisé « sans gainage » sur trois roches très différentes : deux grès poreux (Berea et Idaho) et un granite coréen dense (Hwangdeung). Dans cet essai, une haute pression de fluide est appliquée simultanément à l’extérieur d’un cylindre rocheux et à l’eau contenue dans ses pores, de sorte que la contrainte effective sur le réseau rocheux est nulle et que seuls les grains se compriment. En suivant de minuscules déformations axiales et circonférentielles avec des extensomètres, l’équipe a construit des courbes précises de variation de volume en fonction de la pression jusqu’à 50 mégapascals. À partir des pentes de ces courbes, ils ont obtenu des modules volumiques des grains d’environ 29 GPa pour le grès de Berea, 33 GPa pour le grès d’Idaho et 38 GPa pour le granite Hwangdeung.

Comparer les minéraux et la réalité

Il existe un raccourci courant pour estimer la rigidité des grains : mesurer les minéraux présents dans une roche, consulter la rigidité connue de chaque minéral, puis les moyenner à l’aide d’une recette mathématique connue sous le nom de moyenne de Voigt–Reuss–Hill. L’équipe a réalisé des analyses détaillées par diffraction des rayons X pour déterminer les mélanges minéralogiques de leurs échantillons : un grès riche en quartz pour Berea, un grès d’Idaho riche en albite et feldspaths, et un granite riche en albite, microcline et biotite. Comme prévu, ces calculs prédisaient que le granite serait le plus rigide et Berea le plus souple. Mais les valeurs ne concordaient pas : pour les trois roches, les valeurs théoriques étaient supérieures aux valeurs expérimentales, d’environ 7 % pour le grès de Berea et de plus de 30 % pour le grès d’Idaho et le granite. Il est évident que quelque chose dans la structure réelle de la roche permettait une compression plus importante que ne le suggère la simple recette minéralogique.

Pores cachés et compression supplémentaire

Pour découvrir le maillon manquant, les chercheurs se sont tournés vers la tomographie X, créant des images tridimensionnelles des réseaux de pores à résolution micrométrique. Ils ont ensuite distingué les pores formant des chemins continus (pores connectés) de ceux qui sont scellés à l’intérieur du réseau minéral (pores isolés). Il s’est avéré que le grès d’Idaho possédait globalement beaucoup plus de pores, mais presque tous étaient connectés ; les pores isolés étaient rares. Le grès de Berea, en revanche, présentait beaucoup moins de pores au total mais une fraction beaucoup plus importante de pores isolés. Ces cavités scellées agissent comme des points faibles : sous pression, les contraintes se concentrent autour d’elles, provoquant une déformation locale supplémentaire non prise en compte par les modèles basés sur la minéralogie. Le résultat est un module volumique effectif des grains plus faible, même si la porosité globale est similaire ou inférieure.

De l’intuition de laboratoire à l’usage pratique

Reconnaissant que les essais sans gainage sont difficiles et coûteux à réaliser pour chaque type de roche, les auteurs sont allés plus loin. En comparant directement leurs mesures expérimentales avec les estimations théoriques de Voigt, Reuss et Hill, ils ont dérivé de simples relations de correction linéaires. Ces relations ajustent à la baisse les prévisions basées sur la minéralogie pour mieux correspondre au comportement réel des roches, tenant implicitement compte des effets des pores isolés et d’autres caractéristiques à petite échelle. Bien que basé sur un ensemble limité de roches, le cadre montre comment convertir des données minéralogiques en valeurs de rigidité plus réalistes lorsque des essais hydro-mécaniques complets ne sont pas réalisables.

Ce que cela signifie pour le stockage d’énergie et de déchets

Pour le grand public, le message principal est que la manière dont les pores sont organisés à l’intérieur des roches influence fortement leur comportement lorsque ces roches sont utilisées pour stocker des matières dangereuses ou précieuses en sous-sol. Tous les pores ne se valent pas : une roche remplie de pores bien connectés peut en réalité être plus rigide au niveau des grains qu’une roche contenant moins de pores mais davantage de pores isolés. Ignorer ces structures subtiles conduit à des modèles trop optimistes de la stabilité souterraine. En combinant des essais de laboratoire soignés, une analyse minéralogique et l’imagerie 3D, cette étude propose une manière plus précise d’estimer la compression des roches, contribuant à améliorer la sécurité et la fiabilité des dépôts profonds pour les déchets radioactifs, le CO₂ et les futurs systèmes de stockage d’énergie souterrains.

Citation: Kim, MJ., Choi, J., Park, ES. et al. Influence of pore structure on grain bulk modulus of underground rock masses under hydro-mechanical conditions. Sci Rep 16, 11489 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-40373-1

Mots-clés: structure des pores, module volumique des grains, essai sans gainage, poroélasticité, stockage géologique profond