Altération des verres basaltiques dans des environnements confinés : analogie avec le stockage géologique des verres nucléaires

Basaltic glass alteration in confined environment : analogy to nuclear waste glass geological repository.

• Auteur / Autrice : Benjamin Parruzot
• Direction : Stéphane Gin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 23/04/2014
• Etablissement(s) : Montpellier 2
• Ecole(s) doctorale(s) : Information, Structures, Systèmes (Montpellier ; École Doctorale ; 2009-2014)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'étude du Comportement à Long Terme des matériaux de conditionnement (CEA Marcoule - DTCD/SECM/LCLT)
• Jury : Président / Présidente : Stéphanie Rossano
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Stéphane Gin, Stéphanie Rossano, Bertrand Fritz, Laurence Galoisy, Guy Libourel, André Ayral, Xavier Crozes
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Bertrand Fritz, Laurence Galoisy, Guy Libourel

Mots clés

Mots clés contrôlés

Stockage souterrain

Matériaux -- Détérioration

Roches vitreuses

Mots clés libres

Verre basaltique

Altération

Analogue naturel

Comportement à long terme

Cinétique

Basaltic glass

Alteration

Natural analogue

Long term behavior

Kinetics

Résumé

Cette thèse porte sur les mécanismes et cinétiques d'altération des verres basaltiques. Par une meilleure compréhension des processus contrôlant la durabilité de ces verres, elle tente d'établir un lien entre les études de laboratoire et l'altération des verres volcaniques en milieu naturel. La méthodologie suivie reprend celle utilisée pour les verres nucléaires. Ainsi, nous mesurons pour la première fois la vitesse résiduelle d'altération des verres basaltiques. L'effet protecteur de la pellicule d'altération est clairement mis en évidence. Par ailleurs, la représentativité des verres synthétiques est évaluée par le biais d'une étude sur l'effet du degré d'oxydation du fer sur la structure et l'altération du verre. Un effet mineur de la teneur en FeII sur la vitesse initiale et un effet négligeable sur la vitesse résiduelle sont établis. La vitesse résiduelle a été extrapolée à 5°C et comparée à la vitesse d'altération moyenne de verres basaltiques d'âges compris entre 1900 et 107 ans. Les verres naturels non-zéolitisés s'inscrivent dans cette tendance linéaire, suggérant un contrôle de la vitesse à long terme par la précipitation de phases secondaires argileuses. Le milieu naturel étant ouvert, une étude paramétrique a été menée pour quantifier l'effet du débit d'eau sur la composition chimique de la couche d'altération. L'application des lois ainsi obtenues à deux échantillons naturels conduit à des résultats cohérents. Ainsi, il semble possible d'unifier l'approche descriptive issue des milieux naturels à celle, mécanistique, développée au laboratoire. L'étape suivante consistera à développer une modélisation pour transposer ces résultats aux verres nucléaires.

This dissertation concerns basaltic glass alteration mechanisms and rates. Through a better understanding of the processes controlling the basaltic glass durability, this thesis attempts to establish a link between laboratory studies and volcanic glass alteration in natural environment. The methodology used here is similar to the one used for nuclear glasses. Thus, we measured for the first time the residual alteration rate of basaltic glasses. Protective effect of the alteration film is clearly established. Moreover, synthetic glass representativity is evaluated through a study focused on the effect of iron oxidation degree on the glass structure and leaching properties. A minor effect of FeII on the forward rate and a negligible effect on the residual rate are shown. The residual rate is extrapolated at 5°C and compared to the mean alteration rate of natural samples of ages ranging from 1900 to 107 years. Non-zeolitized natural glasses follow this linear tendency, suggesting a control of the long-term rate by clayey secondary phase precipitation. Natural environments are open environments: a parametric study was performed in order to quantify the water flow rate effect on chemical composition of the alteration layer. When applied to two natural samples, the obtained laws provide coherent results. It seems possible to unify the descriptive approach from the study of natural environments to the mechanistic approach developed at the laboratory. The next step will consist in developing a model to transpose these results to nuclear glasses.