Influence des écoulements transitoires sur la mobilité du strontium dans les sols partiellement saturés en eau
Pierre MAZET, thèse de doctorat de l'université Joseph Fourier - Grenoble I, spécialité sciences de la Terre et de l'Univers, 289 p., 27 octobre 2008
La migration du strontium dans les sols de surface du site pilote de Tchernobyl est l’objet de ce travail.
Le transport réactif de 85Sr, a été étudié en laboratoire, sur des colonnes de sable éolien prélevé sur le terrain, en focalisant sur l’influence d’une hydrodynamique non saturée transitoire (cycles d’infiltration et de redistribution) associée à une géochimie contrôlée (concentrations constantes d’éléments majeurs et de strontium stable dans la solution d’alimentation).
Nous avons disposé pour cela d’un outil expérimental original, le banc d’auscultation gammamétrique, qui permet de suivre simultanément, de manière non-destructive et précise, les variations d’humidité du sol et la migration des radionucléides.
La première phase de cette étude a concerné la mise en oeuvre du dispositif expérimental pour la mesure notamment des transitoires hydrauliques non saturés au sein des colonnes de sable. Plusieurs expériences de transport de 85Sr ont ensuite été effectuées en conditions hydriques différentes (saturées, non-saturées, permanentes et transitoires).
Dans la seconde phase, la modélisation des résultats expérimentaux a été réalisée à l’aide des codes de calcul HYDRUS-1D (approche phénoménologique mono-espèce chimique et coefficient de partage Kd) et HYTEC (approche mécaniste géochimie/transport). La confrontation entre expérience et modélisation montre que, dans nos conditions opératoires, le transfert du 85Sr à travers ce milieu poreux peut être approché de façon « opérationnelle » en utilisant : 1) un modèle géochimique simplifié avec un coefficient de partage Kd dont la valeur peut-être déterminée indépendamment, avec la même géochimie de l’eau (il faut donc la connaître), par traçages sur colonnes saturées en eau, pour ce qui concerne l’aspect rétention dans le sol, 2) une réduction des transitoires hydrauliques non saturés à un régime hydraulique permanent saturé (ou non saturé) équivalent en lame d’eau cumulée pour ce qui concerne l’aspect hydrodynamique.
L’analyse de ces résultats et leur généralisation (domaine de validité) tendent à montrer que l’approche « lame d’eau + Kd », avec une géochimie de l’eau contrôlée, est satisfaisante lorsque la valeur numérique du coefficient Kd est assez forte (Kd>>1), et qu’elle est peu sensible à la valeur de la teneur en eau. Par ailleurs, la présence d’eau immobile (~10%) constatée lors de traçages effectués en condition hydraulique non saturée permanente avec du tritium, est indétectable lors du transport de strontium. L’explication de ce résultat est attribuée aux temps de séjour caractéristiques impliqués, faibles pour le tritium et longs pour le strontium. Une conséquence importante est que dans la modélisation du transport du strontium (pour des successions de plusieurs infiltrations et redistributions) on peut alors s’affranchir d’une cinétique physique d’échange entre eau mobile et eau immobile et réduire ainsi l’effet de l’écoulement d’eau à la convection et à la dispersion.
La modélisation géochimique prenant en compte les espèces chimiques pertinentes, en compétition dans les phases liquides, solides et sur les interfaces, met en jeu des coefficients « intrinsèques », indépendants des variations de la géochimie de l’eau. Beaucoup plus générale, elle peut être utilisée pour tester, par exemple, l’influence d’une variation de la concentration d’un cation compétiteur (strontium stable, calcium) sur le transfert du Sr radioactif. Cette influence « géochimique » apparait très forte par rapport à celle de la variation du degré de saturation du milieu poreux.