Stockages profonds OBJECTIFS PRINCIPALES ACTIVITÉS PROGRAMME. Faits marquants. Responsable du programme :

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1 Stockages profonds PROGRAMME 9 Responsable du programme : OBJECTIFS Mettre en évidence les phénomènes essentiels qui régissent la réponse d un milieu géologique à l impact d une installation de recherche (laboratoire souterrain) ou industrielle (stockage profond de déchets radioactifs). Développer des méthodes d étude et des outils de modélisation pour évaluer les transferts de radioéléments à partir d un site de stockage. Réaliser des expériences en site naturel et au laboratoire pour valider les modèles. Fournir aux experts de l IPSN les connaissances indispensables à l évaluation des études de sites réalisées par l Agence Nationale des Déchets RadioActifs (ANDRA) et participer activement à ces travaux d expertise. Helmut Pitsch Chef du Laboratoire de Modélisation et de Validation des Transferts Tél. : Fax : helmut.pitsch@ipsn.fr PRINCIPALES ACTIVITÉS L essentiel des activités du programme "Stockages profonds" est structuré en trois projets : Le projet TOURNEMIRE regroupe toutes les expérimentations réalisées dans la station de Tournemire (Aveyron) et les interprétations correspondantes. Il s agit d un tunnel creusé dans une argilite très indurée de propriétés voisines de celle sélectionnée dans l Est de la France par l ANDRA pour l installation d un laboratoire souterrain d études. Le site de Tournemire fait l objet d une caractérisation du point de vue géologique et structural, dans son ensemble et dans la zone affectée par le creusement des galeries. Des méthodes géophysiques y sont testées, les circulations d eau et les transferts élémentaires actuels et passés y sont examinés à différentes échelles ; le matériau argileux est étudié du point de vue de ses propriétés mécaniques et de son état d équilibre physico-chimique avec l eau qu il contient. Le projet MELODIE organise et réalise sous assurance qualité tous les travaux nécessaires à la maintenance et au développement du logiciel qui porte cet acronyme et constitue pour l IPSN le code de référence utilisé pour l évaluation de l impact d un stockage profond sur la géosphère à partir du calcul du transfert des radioéléments au travers d un milieu poreux et/ou fracturé. La coordination des activités "Site de l Est" mène des recherches sur la géologie et l hydrogéologie du Bassin parisien, constitue une banque de données régionales et propose des développements complémentaires aux recherches menées par l ANDRA sur le site de Bure. Elle contribue de façon substantielle à l expertise des dossiers transmis par cette agence à la DSIN. La participation à d autres programmes de recherche et développement en Europe (cf. 9-3 ci-après) permet de compléter ces activités pour renforcer et constamment réévaluer le degré d expertise atteint. Faits marquants L année 2000 a été marquée par la réalisation d un nombre important de forages dans la station expérimentale de Tournemire. Une technique de forage à l air (cf. 9-1), appliquée pour la première fois dans une formation argileuse indurée, a permis d atteindre la profondeur de 153 m : les échantillons prélevés ainsi en l absence de fluide de forage conservent leurs caractéristiques et permettent une étude fine des propriétés du matériau (cf. 9-2). La journée "porte ouverte" a permis à plusieurs centaines de visiteurs de la région de poser de nombreuses questions aux ingénieurs du projet et à leurs collaborateurs pour comprendre le sens des travaux menés par l IPSN dans la station expérimentale de Tournemire. La première version du logiciel MELODIE développée sous assurance qualité a été livrée à ses utilisateurs. Un audit interne a mis en évidence la maîtrise du Plan d Assurance de la Qualité et le Comité Scientifique de l IPSN a reconnu l importance du travail réalisé dans le domaine des outils de modélisation. Une convention de recherche a été signée entre l IPSN et l ANDRA, et dans ce cadre, le premier échantillon d argilite en provenance du site de Bure a été reçu par l IPSN pour réaliser des tests spécifiques de caractérisation. 77

2 9.1 Techniques de forages spécifiques Justo Cabrera Nunez IPSN/DPRE/SERGD/Laboratoire de Modélisation et de Validation des Transferts Tél. : Fax : justo.cabrera@ipsn.fr Les formations argileuses sont envisagées par plusieurs pays comme roches hôtes pour le stockage futur des déchets radioactifs. Leurs caractéristiques de faible perméabilité et de rétention des radioéléments sont en effet des qualités clefs. C est pour cette raison que l Institut de Protection et de Sûreté Nucléaire mène dans le tunnel de Tournemire (voir introduction programme 9) un projet de recherche pour étudier les propriétés de confinement du milieu argileux. Pourquoi réaliser des forages? Les forages constituent le moyen privilégié d exploration de la roche. Ils peuvent être réalisés à partir de la surface du sol aussi bien qu à partir de tunnels ou de galeries. Ils peuvent être orientés selon différentes directions : verticaux descendants ou ascendants, inclinés ou horizontaux. Le site de Tournemire comporte un ancien tunnel ferroviaire de 2 km de long datant de plus d un siècle traversant une formation géologique argileuse de 250 m d épaisseur. L analyse de cette couche argileuse a été menée dans un premier temps à l aide de forages réalisés à partir du tunnel. En 1996, dans le but d étudier la fracturation d origine tectonique du milieu, deux galeries de 30 m de long ont été creusées perpendiculairement au tunnel et de part et d autre de celui-ci, l une dans une zone "saine", l autre dans une "zone fracturée." La réalisation des forages permet d extraire du milieu traversé des échantillons bien repérés dans l espace. Ces échantillons de roche sont appelés "carottes", terme qui évoque leur forme cylindrique : on parlera alors de "forages carottés". A Tournemire, on ne pratique que des forages carottés (dans le cas contraire où on n est intéressé que par l accès au milieu, on ne conserverait pas le matériau extrait et on parlerait de forages destructifs). Un premier examen visuel par le géologue permet de situer chaque carotte du point de vue géologique, structural (présence ou non de fractures) et paléontologique (fossiles). La carotte est ensuite conditionnée pour l envoi à différents laboratoires où sont déterminées avec précision, suivant les besoins, ses caractéristiques structurales, minéralogiques (détermination des minéraux argileux carbonatés, siliceux, etc. constituant la roche), hydrogéologiques (présence d eau dans les pores), géochimiques (présence d éléments majeurs et en traces) et géomécaniques (résistance à la déformation). Plusieurs techniques de conditionnement sont adoptées suivant le type d analyse prévu : échantillons conditionnés sous vide, paraffinés, sous pression, etc. Les forages permettent aussi d accéder au milieu, pour réaliser par exemple des mesures de la perméabilité et des contraintes s exerçant dans la roche ainsi que de la pression de l eau dans le milieu. Ils permettent également d effectuer des prélèvements de l eau présente dans les fractures pour les analyses, etc. Techniques de forage Dans le domaine industriel la plupart des forages sont réalisés avec un apport d eau, qui sert à la fois à éviter une surchauffe de l outil de forage, à le lubrifier et à entraîner les débris produits par l action de l outil, cela aussi bien pour les forages destructifs que pour les forages carottés. Les premières campagnes de forages dans le site de Tournemire ont été réalisées de cette manière. Ainsi, les six premiers forages verticaux de différentes profondeurs (jusqu à 230 m), en , et huit forages rayonnants autour du tunnel (40 et 160 m), en 1994, ont été réalisés à l eau. Cette technique s est montrée suffisante pour les premières analyses exploratoires. Cependant pour des analyses plus poussées, il faut préserver les caractéristiques initiales de la roche. Celle-ci étant perturbée par l introduction d une eau extérieure, il a été nécessaire de recourir à une technique de forage "à sec", qu il a fallu mettre au point. Figure 1 : Bloc diagramme montrant les forages réalisés dans la station expérimentale de Tournemire. 78

3 Les forages à l air comprimé Cette technique consiste à remplacer l eau comme fluide de refroidissement par de l air comprimé. Les premiers tests effectués en 1997 ont donné de bons résultats ; cependant une adaptation du matériel a été nécessaire principalement pour capter et évacuer la poussière formée à la sortie du forage. On utilise pour cela un système d aspiration et de décantation muni d une centrifugeuse. La vitesse de rotation de l outil de forage et la force appliquée à cet outil ont du être ajustées afin de ne pas briser les carottes. Cet ajustement varie avec la profondeur. La technique de forage à sec présente plusieurs avantages : la perturbation du milieu traversé est moindre ; les carottes, préservées du contact avec l eau extérieure, conservent leurs propriétés initiales ; une identification précise des zones d arrivée d eau naturelle (dans les fissures par exemple) devient possible ; dans des zones fortement fracturées, on arrive ainsi à conserver aux échantillons leur configuration initiale. Cette méthode de forage présente cependant des limites. Ainsi, lorsqu on traverse des zones du massif dans lesquelles les arrivées d eau naturelle sont importantes et continues, l outil se bloque et il n est plus possible de poursuivre l opération sous air comprimé. Cependant, cette circonstance peut représenter un atout pour prélever et analyser les eaux naturelles en fond de forage. Ce cas n est pas hypothétique, il s est produit en effet dans deux forages verticaux descendants à partir du tunnel. Faisabilité de forages à sec de plus de 150 mètres Les premiers forages à sec réalisés dans le site de Tournemire avaient une longueur de quelques dizaines de mètres. Pour des distances plus grandes, des vibrations du train de tiges (tubage) apparaissent. Cependant, il a été possible d adapter les vitesses de rotation et d avancement de l outil pour réduire ces effets et éviter le bris des carottes. C est ainsi qu en 2000 on a pu réaliser à sec un forage (TN3) d une profondeur supérieure à 150 mètres. Ce forage, initialement prévu d une longueur de 250 mètres a été arrêté à la cote de 153 à cause d une arrivée d eau localisée dans des fractures intersectées. Ce forage initialement destiné à l échantillonnage de la roche argileuse a été maintenu en l état pour réaliser un suivi de la composition de l eau arrivant en fond de forage. Conclusion La technique classique de forage à l eau s est révélée incompatible avec les exigences de certains programmes de recherches poussées menées à Tournemire. Il était donc impératif de mettre au point une technique de remplacement pour poursuivre le programme. La possibilité de faire des forages à sec dans le milieu argileux n était cependant pas acquise a priori. La mise au point de cette technique a nécessité une coopération étroite entre les chercheurs de l IPSN et l entreprise chargée de réaliser les forages. La réalisation d un tel forage à sec d une longueur de plus de 150 mètres est un succès à mettre à l actif de cette coopération, qui élargit le champ des recherches à Tournemire et sur d autres sites similaires. Collaboration Société COREIS (réalisation et mise au point des forages). Figure 2 : Photo réalisation d un forage à sec dans la station expérimentale de Tournemire. 79

4 9.2 Comportement hydromécanique de l argilite de Tournemire Amel Rejeb IPSN/DPRE/SERGD/Laboratoire de Modélisation et de Validation des Transferts Tél. : Fax : amel.rejeb@ipsn.fr Certaines formations géologiques constituées de roches argileuses dures (argilite) sont envisagées comme candidats pour le stockage en couche géologique profonde des déchets hautement radioactifs à vie longue. C est pour étudier un tel milieu que l ANDRA 1 a obtenu l autorisation de réaliser un laboratoire souterrain à Bures (Haute- Marne). L argilite est en effet pratiquement imperméable ; cependant, l existence de fissures dans la roche pourrait altérer ses capacités de confinement en constituant des chemins privilégiés de transport par l eau des éléments radioactifs. Dans sa station expérimentale de Tournemire, l IPSN étudie la création, l évolution et l influence de la fissuration autour d un ouvrage souterrain creusé dans l argilite. Lorsqu on a creusé en 1996 des galeries perpendiculaires à l ancien tunnel (cf. article précédent 9-1), on a découvert un phénomène inattendu. En plus des fissures classiques d origines tectonique et mécanique, un réseau de fissures supplémentaire est apparu rapidement sur le front de taille et les parois des galeries (figure 1). Ces fissures parallèles, horizontales et régulièrement espacées suivent la stratification du matériau. De plus, leur ouverture est particulièrement sensible à l humidité régnant dans les galeries : fermées lorsque l atmosphère est saturée en humidité, elles atteignent 2 mm d ouverture lorsque l atmosphère est sèche. Pour comprendre ce phénomène, on a été amené à étudier le comportement hydromécanique de la roche, c est-à-dire l influence de sa teneur en eau sur ses propriétés mécaniques. On sait que le volume d un échantillon de matériau argileux à l état libre dépend de sa teneur en eau. Ce phénomène est dû à l entrée ou à la sortie de molécules d eau entre les feuillets qui constituent la texture microscopique des minéraux argileux présents dans le matériau. L argilite de Tournemire contenant 40 % à 50 % de minéraux argileux, on peut donc s attendre à des variations de volume modérées mais néanmoins sensibles. A l échelle d un massif, on s attend à ce que ces variations de volume se traduisent par l apparition de fissures. L analyse hydromécanique s articule en trois étapes : on établit tout d abord la loi de comportement c est-à-dire la loi reliant la déformation du matériau aux contraintes mécaniques appliquées, en tenant compte de l humidité de l atmosphère ambiante, on utilise ensuite cette loi de comportement pour évaluer l effet de l assèchement de l atmosphère sur les déformations de l ouvrage en supposant dans un premier temps le milieu parfaitement homogène, enfin on prend en compte de façon explicite l existence des fissures afin d évaluer leur profondeur et leur espacement. Application aux galeries de Tournemire Figure 1 : Fissuration de retrait au front de taille de la galerie Ouest à Tournemire. La roche dont il est question s est formée il y a 150 millions d années par dépôt de sédiments, et elle n a pas les mêmes résistances mécaniques dans la direction du plan de stratification et dans les directions perpendiculaires. On traduit ce fait en disant qu elle est anisotrope. Pour appliquer la démarche retenue aux galeries de Tournemire, il est indispensable de prendre en compte cette anisotropie ainsi que la géométrie complexe du front de taille. Cela nous a conduit à uti- 1 Agence Nationale pour la gestion des Déchets Radioactifs. 80

5 liser le code CASTEM2000 du CEA, particulièrement adapté pour effectuer ce genre de calculs hydromécaniques en trois dimensions. Lorsque la roche est mise en contact avec une atmosphère sèche, elle laisse échapper ses molécules d eau interstitielles et se contracte. On a calculé que la profondeur du matériau affecté par l assèchement atteint 50 cm au bout de 6 mois (figure 2). Le matériau qui était soumis à une compression en raison du poids qui le surplombe, est mis en traction, avec une contrainte qui atteint la valeur de 300 Mpa (3000 atmosphères) à 10 cm de la surface (figure 3). Cette contrainte, qui dépasse largement la résistance à la traction de l argilite, conduit nécessairement à la rupture du matériau. La profondeur calculée des fissures après un assèchement de l atmosphère durant 6 mois est d environ 40 cm, et leur espacement est compris entre 10 et 20 cm. Si après cela on humidifie à nouveau l atmosphère (comme cela se produit naturellement en période d hiver), on observe une fermeture progressive des fissures. Le modèle utilisé fait appel à des hypothèses encore originales sur les mécanismes mis en jeu au sein du minéral argileux, et a nécessité l introduction de notions d un maniement délicat. Aussi, seule la cohérence avec les observations expérimentales pourra nous indiquer que nous sommes sur la bonne voie. A Tournemire, cette cohérence apparaît aujourd hui assez bonne (figure 1). Conclusions et perspectives Dès qu on a observé en front de taille des galeries de Tournemire un réseau de fissures s ouvrant et se fermant au rythme des saisons, l hypothèse d un lien avec les échanges de molécules d eau entre l atmosphère et l argilite a été avancée. Pour aller plus loin, il a fallu développer sur des bases physiques un modèle reliant les dimensions de ces fissures aux propriétés du matériau et aux caractéristiques de son environnement, puis valider ce modèle en confrontant ses résultats aux observations. Ces premières étapes ayant été réalisées, on dispose maintenant d un outil utilisable pour prédire à long terme l évolution de ce type particulier de fissures dans un futur site de stockage, étude indispensable à l évaluation de sûreté. Figure 2 : Variation de l hygrométrie en fonction de la distance au front de taille après différentes périodes d assèchement. Publications : N. Ramambasoa, D. Nguyen Minh, A. Rejeb Hydromechanical behaviour of shales. Application to the Tournemire site, France Symposium Pacific Rock 2000, Seattle, Etats-Unis, août N. Ramambasoa, D. Nguyen Minh, A. Rejeb Constitutive modelling of Tournemire shale hydromechanical behaviour International Workshop on Geomechanics. THM behaviour of Deep Argillaceous Rocks. Theory and Experiment. Paris, octobre Figure 3 : Variation des contraintes verticales en fonction de la distance au front de taille : au bout de 6 mois, la contrainte maximale de 300 MPa apparaît à 10 cm environ de la paroi. A. Rejeb, G. Vouille, F. Vales Laboratory investigation of the mechanical properties of Tournemire shale Effects of excavation and desaturation International Workshop on Geomechanics. THM behaviour of Deep Argillaceous Rocks. Theory and Experiment. Paris, octobre

6 9.3 Résultats marquants obtenus dans le cadre du projet "Mont-Terri" Jean-Yves Boisson IPSN/DPRE/SERGD/Laboratoire de Modélisation et de Validation des Transferts Tél. : Fax : jean-yves.boisson@ipsn.fr L étude de l aptitude des formations argileuses à servir de roches hôtes pour le stockage futur des déchets radioactifs donne lieu à plusieurs programmes internationaux de recherches, tel que celui mené au nordouest de la Suisse, dans une galerie de reconnaissance du tunnel autoroutier du Mont Terri. En effet, une partie de ce tunnel traverse précisément une formation argileuse (les "Argiles à Opalinus") datant de l ère secondaire. Depuis 1995, plusieurs organismes dont l IPSN participent à ce programme. L'autorité responsable du tunnel est la République et Canton du Jura. Le projet est placé sous le patronage du SHGN (Service Hydrologique et Géologique National suisse). Huit autres partenaires sont directement impliqués dans le projet : CEDRA (société Coopérative nationale pour l'entreposage de Déchets RAdioactifs, Suisse), BGR (Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe, Allemagne), SCK/CEN (Centre d'etude de l'energie Nucléaire, Belgique), ENRESA (Empresa Nacional de Residuos Radiactivos S.A., Espagne), ANDRA (Agence Nationale pour la gestion des Déchets RAdioactifs, France), IPSN (Institut de Protection et de Sûreté Nucléaire, France), JNC (Japan Nuclear Cycle Developement Institute, Japon) et OBAYASHI Corporation (Japon). La gestion du projet est assurée par l'institut Géotechnique SA, Saint Ursanne (Suisse). Le programme de recherche Le laboratoire souterrain du Mont Terri se situe en partie dans les Argiles à Opalinus (Aalénien) qui sont des roches rigides et très peu perméables. Le programme de recherche est articulé autour de trois thèmes : Identification des meilleures techniques ou méthodes de recherche. Dans ce thème, l utilisation des techniques de creusement de galeries, de forages et de carottages, ainsi que les méthodes d échantillonnage de fluides, sont passées en revue (cf. 9-1). On s y intéresse également à la mesure sur site de différentes grandeurs caractéristiques du milieu, telles que la perméabilité, la pression de l eau interstitielle, les contraintes mécaniques dans la roche. Caractérisation d une formation argileuse. Il s agit d acquérir une connaissance approfondie de la formation par la mesure ou le calcul de toutes les grandeurs susceptibles d avoir un impact sur le transport des éléments en solution : nature des minéraux constituant la roche, porosité, perméabilité, composition chimique des fluides, comportement hydromécanique du matériau (cf. 9-2). Caractérisation de l impact de travaux souterrains au sein de la formation. Le creusement de galeries modifie les caractéristiques mécaniques, hydrauliques, chimiques et minéralogiques de la roche à proximité, en créant une zone de décompression avec phénomène de perte d eau (cf. 9-2). L étude de ces phénomènes est précieuse pour comprendre l évolution possible du milieu. L IPSN participe à ce programme particulièrement dans les domaines de l hydrogéologie et de la géochimie. Ces études contribueront à combler des lacunes dans la connaissance de certains processus, et d effectuer des comparaisons avec d autres sites. Quelques résultats Des mesures de conductivité hydraulique ont été effectuées sur site par différentes techniques. Les valeurs obtenues sont extrêmement faibles, ce qui confirme ce qu on pressentait déjà, à savoir qu on peut négliger les possibilités de transport de masses d eau dans la roche, même aux échelles de temps de plusieurs dizaines de milliers d années qui intéressent le stockage. Les analyses ont par ailleurs confirmé l origine marine de l eau interstitielle qui a pu être extraite et analysée à partir de la roche argileuse. Cela signifie notamment que cette eau ne s est pas renouvelée depuis la formation de ces argiles à l ère secondaire. Des profils de répartition de certains éléments contenus dans ce fluide tels que le chlore, l hélium ou les isotopes stables de l eau (oxygène 18 et deutérium) ont été établis. Les résultats conduisent à penser que le principal processus de transport au sein de la roche est la diffusion, autrement dit des mouvements spontanés d éléments atomiques ou moléculaires au sein de la solution. Les caractéristiques de diffusion de la roche sont étudiées grâce à de nombreuses données déjà acquises au laboratoire par différentes équipes et par une première expérience de diffusion d eau tritiée et d iode 82

7 effectuée en forage pendant quelques mois. Cet essai sera suivi prochainement par une nouvelle expérience de plusieurs années avec des solutés plus représentatifs, radioactifs ou non (figure 1). Un travail important est en cours dans le domaine de la géochimie : il s agit de comprendre et de modéliser les relations entre la composition de la roche et celle de l eau qui la baigne. Une banque de données géochimiques a été constituée, qui sert de base commune pour des exercices d intercomparaison entre modèles développés par des équipes espagnole, suisse et française. Suite à l excavation et l aérage d une cavité souterraine, comme à Tournemire (cf. 9-2) on a vu un réseau de fissures se développer. La roche est très sensible aux variations saisonnières d'humidité et de température. Pour préciser ce point fondamental pour la sûreté des installations de stockage, l IPSN a décidé de participer à une expérimentation de ventilation à partir d une petite galerie instrumentée creusée récemment. Conclusion Le projet du Mont Terri est le premier programme international de recherches génériques pour le stockage géologique dans des roches argileuses dures et imperméables, d où son grand intérêt pour accroître les connaissances (nouvelles techniques, constitution de banques de données, validation de modèles), pour identifier des problèmes actuellement rencontrés (difficultés de mesures, interprétations et compréhension de processus), et pour guider de futures recherches. La présence, aux côtés d'exploitants, d un organisme tel que l IPSN participant au contrôle de la sûreté des stockages (c est actuellement le seul organisme de cette nature au sein du consortium) est pleinement justifiée. Sa participation à un tel projet international est en effet de nature à consolider sa position d expert dans le domaine de l analyse de sûreté des laboratoires et stockages souterrains en milieu argileux. Publications : H.J. Alheid, M. Knecht, F. Homand- Etienne, S. Pepa, J.Y. Boisson Comparison of in-situ hydraulic and seismic measurements in the excavation damaged zone of underground drifts 9th International Congress on Rock Mechanics, Paris, August Proceedings vol.2, pp Figure 1 : Concept des expériences de diffusion in situ (site du Mont Terri). M. Thury, J.Y. Boisson, P. Bossart Le laboratoire souterrain du Mont Terri (Suisse) et premiers résultats des études hydrogéologiques d'une formation argileuse Hydrogéologie/Hydrogeology, BRGM éditeur, à paraître. 83

8 Conclusion La finalité des activités de recherche menée à l IPSN sur les stockages profonds est l acquisition d un degré d expertise scientifique élevé pour l évaluation de sûreté des travaux menés par ailleurs par les exploitants. Les programmes d étude sont donc orientés de façon à dégager des méthodes transposables et des caractéristiques génériques des milieux étudiés, actuellement essentiellement le milieu argileux puisque le premier laboratoire souterrain français sera construit dans une formation argileuse. L année 2001 sera caractérisée par la publication d une synthèse des connaissances acquises, un approfondissement des études concernant les discontinuités et les perturbations d un milieu argileux et le développement des outils de modélisation. Effectifs 2000 Ingénieurs ingénieurs 9 expérimentation 3 modélisation 3 aide à l expertise 1 suivi de programmes 1 gestion 1 Relations avec d autres unités ou organismes CEA DCC / DESD / SESD DRN/DMT Centres de recherche BRGM CNRS CREGU INRA Versailles IPGP IFP CEN / SCK (Belgique) Universités Ecole des Mines de Paris Ecole polytechnique Montpellier II Paris 6 Paris Sud Orsay Berne (Suisse) Autres organismes EDF GRS (Allemagne) Consortium du Mont Terri (Suisse) Entreprises ALGADE ANTEA COMBES COREIS GEOSTRESS GEOTER HEMISPHERE SIMECSOL 84