Impact du changement climatique sur les conditions hydro

Impact du changement climatique sur les conditions hydro-climatiques de l’aquifère de
la craie du Bassin de Paris et sur la stabilité des cavités souterraines.
Ecole Doctorale 398 Géosciences et Ressources Naturelles
Nom, label de l'unité de recherche : UMR 7619 Sisyphe
Localisation (adresse) :4 place Jussieu
Nom du directeur de thèse : Danièle VALDES-LAO
et Roger GUERIN
Nom, prénom et affiliation des co-encadrants éventuels :
Yu-Jun CUI laboratoire Navier/Géotechnique
Philippe GOMBERT de INERIS – unité ESEG "Eaux Souterraines et Emissions de Gaz" – Direction des
Risques du Sol et du sous-sol.
Adresse courriel du contact scientifique : [email protected]
[email protected]
Projet de thèse :
L’effet attendu du changement climatique sur les eaux souterraines du bassin de la Seine, est une baisse de 4%
du niveau des nappes en fin de siècle. Le contraste accru entre précipitations hivernales et estivales pourrait
impliquer un battement plus important des nappes. L’agressivité des eaux vis-à-vis de la roche pourrait
également être modifiée.
Le Bassin de Paris est ainsi riche de plusieurs milliers de carrières creusées dans la craie, le calcaire ou le gypse,
et donc certaines sont totalement ou partiellement ennoyées. L’augmentation du battement des nappes peut
conduire à la déstabilisation des cavités souterraines comme lors de l’effondrement catastrophique des carrières
de craie à Château-Landon (77) en 1910 ou de gypse au Petit-Clamart (92) en 1961. La question posée ici est de
savoir si le changement climatique attendu, en modifiant le cycle de l’eau aura un impact significatif sur la
stabilité des carrières souterraines?
La dégradation de la craie est contrôlée par des processus physiques d’origine thermique, hydrique, mécanique et
chimique, qui conduisent à une perte de ses capacités hydromécaniques (Schroeder et al. 2003). Les paramètres
hydroclimatiques (hygrométrie, niveau et qualité de l’eau, température de l’atmosphère et de la roche) sont donc
des paramètres clés pour l’étude de la stabilité des carrières de craie. Des essais en laboratoire ont en effet mis en
évidence de fortes pertes de résistance de la craie en fonction de son degré de saturation (Collin et al. 2002). Ces
paramètres hydroclimatiques fluctuent dans le temps de manière saisonnière, pluriannuelle, parfois même
évènementielle lors de forçages extrêmes. La réponse des cavités souterraines à ces fluctuations n’a que peu été
étudiée et deux points sont particulièrement mal connus : l’effet des cycles d’ennoyage-dénoyage ou
humidification-séchage ainsi que l’effet du changement de la qualité des eaux souterraines et de leur agressivité.
Objectif / Démarche scientifique
L’objectif de notre projet de recherche est d’étudier l’impact du changement climatique sur la stabilité des
carrières souterraines dans une roche particulièrement sensible aux paramètres hydromécaniques : la craie du
Bassin parisien. Ce projet est basé sur des observations in situ dans la carrière de craie de Saint-Martin-le-Nœud
(Oise) et des expérimentations en laboratoire. Il propose une approche pluridisciplinaire entre l’hydrogéologie, la
géophysique et la géomécanique.
La démarche s’articule autour des 3 axes suivants :
1) étude de l’impact du forçage climatique sur les conditions hydroclimatiques dans la cavité (approche
couplée hydrogéologie / géophysique) ;
Pour répondre à cette question, il conviendra d’instrumenter la carrière afin d’étudier le cheminement de
l’eau (liquide ou gazeuse) et les équilibres calco-carboniques depuis la surface jusqu’à la zone saturée en passant
par le sol, la zone non saturée et la zone de battement de la nappe afin de comprendre les processus de transfert
et de dissolution et de bien caractériser la réponse hydroclimatique de la cavité aux forçages extérieurs
2) étude de l’impact de ces conditions hydroclimatiques sur la stabilité de la carrière (approche couplée
hydrogéologie / géophysique /géomécanique) et en laboratoire (approche couplée hydromécanique /
géophysique) ;
La question est ici de savoir comment les variations des conditions hydroclimatiques dans la cavité vont
pouvoir impacter la stabilité de la craie.
Approche in situ de la carrière de St Martin-le- Nœud:
Des mesures de déformation mécanique dans la cavité seront couplées aux variations de conditions
hydroclimatiques de la carrière en régime naturel, mais également en régime controlé (cycles d’ennoyagedenoyage forcés constituent des forçages mécaniques et chimiques susceptibles d’altérer la résistance de la
roche)
Approche en laboratoire (Navier/Géotechnique) :
Nous proposons des essais hydromécaniques en laboratoire sur des blocs de craie. Ces blocs seront soumis
1) à cycles de recharges artificielles avec des eaux plus ou moins agressives et à des cycles d’ennoyagedénoyage. Les échantillons seront testés sur une presse mécanique pour déterminer la résistance au cisaillement
correspondant à différentes conditions initiales.
3) Réponse des cavités au changement climatique.
A partir des travaux développés dans les 2 premiers axes, un modèle simplifié sera développé pour prévoir la
dissolution et la fragilisation de la craie par action mécanique de l’eau. Il sera ensuite utilisé pour estimer
l’impact éventuel du changement climatique (utilisation des scénarios RExHySS) sur la stabilité des carrières.
Cela permettra éventuellement de mettre en évidence une vulnérabilité accrue à l’horizon 2100.