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6- Chimie des eaux souterraines

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Hydraulique souterraine
Mme TAKORABT.M
CHAPITRE V : CHIMIE DES EAUX SOUTERRAINES
Généralités
a- L'hydrochimie est la science qui étudie les processus chimiques affectant la distribution et
la circulation des composés chimiques des eaux. Elle est essentiellement basée sur la chimie
mais aussi de la biologie et de la géologie. L'hydrochimie inclut l’ensemble des techniques et
protocoles d'échantillonnage des eaux, la détermination des fonds géochimiques naturels d’un
milieu, l'étude de la pollution des milieux aquatiques… Elle permet de définir la « qualité
d’une eau ». Elle étudie donc les interactions entre l’eau et le sol ou le sous-sol. Ce terme est
approprié pour décrire la chimie des eaux continentales (dont les eaux souterraines).
b- La géochimie est la science qui applique les principes de la chimie à l'explication des
processus géologiques, passés et présents, qui affectent les enveloppes terrestres internes
(noyau, manteau, croûtes) et externes (océans, atmosphère, biosphère).
c- Géochimie de l’eau
La composition géochimique de l’eau souterraine est influencée en grande partie par la
dissolution de certains minéraux présents dans les matériaux géologiques. Plus le temps de
résidence de l’eau dans un aquifère est long, plus l’eau souterraine sera minéralisée, c’est-àdire qu’elle contiendra des quantités plus importantes en minéraux dissous. Les conditions de
confinement des aquifères influencent la géochimie de l’eau souterraine :• Nappe libre : eau
récente, peu minéralisée, typique d’une eau météorique ;• Nappe semi-captive : eau
intermédiaire ;• Nappe captive : eau ancienne, fortement minéralisée parfois
saumâtre.(RQES,2015)
1. Minéralisation des eaux souterraines
Tout au long de son cycle, l’eau est soumise à des processus successifs qui modifient sa
composition chimique et affecte ainsi sa qualité. Les processus hydrogéochimiques sont
généralement contrôlés ou influencés par différents facteurs tels que la dissolution de certains
minéraux présents dans les roches et dans les sols, l’infiltration et l’écoulement de l’eau dans
l’aquifère, les interactions entre les minéraux dissous et avec la matière organique, et la
salinisation des eaux lorsque l'eau souterraine est en contact prolongé avec des argiles
d'origine marine. Plus le temps de résidence de l’eau dans un aquifère est long et plus elle
atteint des couches profondes, plus elle sera chargée en minéraux dissous. Selon les processus
auxquels elle est soumise, l’eau souterraine acquiert ainsi une signature géochimique
particulière en fonction du milieu où elle se trouve et de ceux qu’elle a traversés le long de
son parcours. Ces signatures permettent de retracer l’origine des eaux souterraines, l’histoire
de leurs interactions et leur âge.
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Fig. 1: Évolution géochimique des eaux souterraines
1.1. Origine de la minéralisation des eaux souterraines
L'eau de pluie est légèrement acide du fait de sa teneur en CO2 dissous :
CO2 dissous + H2O → H2CO3 (acide carbonique, acide faible)
Au cours de son l’infiltration, du fait d’un contact avec terrains géologiques en présence, l’eau
se charge en divers éléments qui vont influer sur sa qualité. Certains de ces éléments sont
naturellement présents dans le sol, ils vont définir la qualité « naturelle » de l'eau brute.
Ainsi l'eau à l'état naturel peut contenir :
- des matières organiques,
- des matières dissoutes provenant des terrains traversés (ions majeurs et éléments traces)
- des particules en suspension.
D'autres éléments sont d'origine anthropique.
1.2. Mécanismes de bas
a- Dissociation ionique
Lorsqu’un sel est dissout dans l’eau, il va se dissocier en ions électropositif ou cations, ou
électronégatif (anions). En règle générale, on considère que dans les eaux souterraines tous les
sels se présentent sous forme ionique.
b- Réactions de dissolution
Opération ayant pour effet de modifier la cohésion des molécules des corps solides par
immersion dans un liquide → séparation des parties du corps solide et mise en solution.
c- Précipitation
Réaction par laquelle un corps en solution se sépare de son solvant pour former un précipité
solide.
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d- Réactions d’oxydo-réduction
Réaction chimique au cours de laquelle se produit un échange d'électrons. L’espèce chimique
qui capte les électrons est appelée « oxydant » ; celle qui les cède, « réducteur ».
e- Réactions d’échanges d’ions
Remplacement stœchiométrique des ions sur une surface de charge fixe par des ions de la
solution.
1.3. Paramètres influençant la chimie de l’eau souterraine
➢ La température du milieu (plus la T° augmente et plus la solubilité cinétique augmente
aussi);
➢ La pression (si la pression partielle en en CO2 augmente, la dissolution diminue);
➢ La nature des roches traversées (minéraux rencontrés au cours de l'infiltration) et
notamment celui de la roche mère;
➢ La surface de contact : l’existence d’une porosité élevée favorise les échanges (surface de
contact plus grande entre la roche et l’eau);
➢ Le temps de contact de l'eau avec le réservoir (les eaux anciennes sont souvent très
minéralisées);
➢ La vitesse d’écoulement de l'eau dans le sous-sol;
➢ Le temps de renouvellement de l'eau de la nappe.
1.4. La composition de l’eau
a- Éléments majeurs (ions majeurs)
- Cations : calcium (Ca++), magnésium (Mg++), sodium (Na+), potassium (K+)
- Anions : carbonates (HCO3-, CO3- -), chlorures (Cl -), sulfates (SO4- 2), nitrates (NO3-).
b- Eléments traces
Contrairement aux éléments majeurs, les éléments traces sont peu abondants dans la croute
terrestre. Certains éléments traces sont indispensables au déroulement des processus
biologiques : ils sont alors nommés "oligoéléments".
L'expression "métaux lourds" est aussi souvent employée, néanmoins certains éléments traces
ne sont pas des métaux (arsenic, sélénium).
1.5. Origine des éléments majeurs
- Ca :
Cation le plus abondant dans les eaux continentales. Présent dans tous les types de lithologie,
mais prédomine dans les aquifères carbonatés (calcaires et craies). Concentration centaine
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de mg/l. Le calcium est également très abondant dans les aquifères gypsifères. Concentration
centaines de mg/L voir > 1 g/l.
- Mg :
Libéré par interaction avec des roches ignées (minéraux ferromagnésiens comme l’olivine, le
pyroxène, l’amphibole, et les micas noirs), roches d’altération (chlorite, serpentine),
carbonates (dizaines de mg/l voir plus), évaporites (centaines de mg/l à quelques g/l).
Comportement très similaire au Ca.
- Na :
Principalement présent dans les roches ignées (feldspaths…) Roches sédimentaires :
évaporites. Concentration dans les eaux naturelles très variable : de < 1 mg/l dans certaines
eaux de pluie à > 100 000 mg/l dans des saumures.
-K:
Principalement présent dans les roches ignées et dans les argiles (orthose, micas,
feldspathoïdes), certains dépôts évaporitiques très solubles comme la potasse [KCl].
Abondant mais peu concentré dans les eaux naturelles (difficulté de mobilisation de l’ion K+).
Dans les eaux souterraines, généralement < 10 mg/l.
- Sources anthropiques : sels de route, saumures riches en alcalins et alcalino-terreux
(résidus de mines de sel), indirectement : intrusions marines dues à une surexploitation de la
nappe (surtout Na, Cl)
-C:
Atmosphère et atmosphère du sol : dissolution du CO2 et interaction avec les carbonates
produisant de l’acide carbonique (H2CO3)
Le CO2 profond : dans des régions tectoniquement actives, des flux important de CO2
profonds donnent lieu à des eaux très riches en carbone inorganique (concentrations en
HCO3- jusqu' ’à 10 000 mg/l).
Aquifères carbonatés : l'acide carbonique réagit avec les carbonates (calcite, dolomie…) qui
se dissolvent (50% du C inorganique provient du CO2 du sol, 50% de la roche).
Aquifères silicatés : l'acide carbonique réagit avec les silicates. Des échanges de cations et la
dissolution de feldspaths donnent lieu à des eaux de faciès Na+HCO3- (bicarbonaté sodique)
- Dans une gamme de pH de 6,4 à 10,3 les bicarbonates (HCO3-) sont l'espèce carbonatée
prédominante.
- SO4 :
Aquifères contenant des évaporites : dissolution de gypse, anhydrite, (Mg- K-sulfates). Les
concentrations peuvent atteindre quelques g/l.
Aquifères cristallins ou sédimentaires contenant des sulfures (pyrite, arsénopyrite, marcassite,
etc.). L'oxydation et dissolution de sulfures produit des sulfates. Concentrations dans ce
contexte : quelques mg/l à quelques dizaines de mg/l.
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Saumures marines conservées dans les aquifères sédimentaires ou cristallines profondes
Aérosols marins proche de la côte.
Lorsque le milieu est réducteur (nappe captive), le soufre est également représenté par ses
formes réduites (H2S, HS-). La teneur en sulfates est donc intimement liée aux propriétés
redox du milieu.
→ Sources anthropiques : pollution atmosphérique par des Sox (oxydes de soufre) → H2SO4,
drainage minier.
- NO3 :
Pas de source dans la matrice des aquifères.
Sources naturelles : pluies, activité biologique, azote dans les sols. A l'état naturel, les
concentrations en nitrate dans les eaux souterraines sont faibles (quelques mg/l au maximum).
Saumures marines conservées dans les aquifères sédimentaires ou cristallines profondes.
Importance des réactions d'oxydo-réduction qui conduit à une oxydation des espèces réduites
(nitrification d'ammonium) ou une réduction des espèces oxydées (dénitrification).
→ Sources anthropiques nombreuses et essentiellement liées au lessivage des engrais, et aux
rejets domestiques et industriels, à la pollution de l'air.
On admet généralement qu'une teneur supérieure à 10 mg/l traduit un apport anthropique.
Equivalent chimique : par définition, l’équivalent chimique d’un est égal au rapport de la
masse atomique de cet élément sur sa valence : 𝐞𝐪 =
𝑴𝑨
𝑽
Exemple :
Na+=
Cl−=
23
1
35,5
1
39
= 23 ,
K+=
= 35,5
, CO3 =
1
Ca + +=
=39,
12+3𝑥16
2
40
2
= 30,
= 20 , Mg + +=
HCO3 =
61
1
24,32
2
= 12,16,
= 61,
SO4 =
32+4𝑥16
2
= 48
- Quantité en réaction, elles expriment le nombre d’équivalent chimique de chaqu’un de ces
éléments entrant en combinaison. Pour obtenir ce nombre on divise le poids de l’élément par
son équivalent chimique. Les quantités en réaction sont désignés depuis les travaux de Stabler
par la lettre r placé devant le symbole des éléments chimiques rNa, rSO4, rMg.
Na+=
𝑃
23
HCO3 =
,
K+=
𝑃
39
Ca + +=
𝑃
20
= 20 , Mg + +=
𝑃
𝑃
, SO4 =
61
48
5
𝑃
12,16
, Cl−=
𝑃
35,5
CO3 =
𝑃
30
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2. Mode d’expression des résultats des analyses chimiques
Les concentrations sont données en mg/l. pour l’interprétation des résultats analytiques, on est
obligé de tenir compte des quantités en réaction qui sont mises en jeu, et c’est pourquoi on
utilise le méq/l.
Soit les résultats d’une analyse chimique en mg/l, suivants, transformez en méq/l.
Na = 78 , K = 3 Ca = 90 , Mg = 73, Cl = 270
Théoriquement Σr+ = Σr-
CO3 = 63 HCO3 = 134, SO4 = 134
2.1. Interprétation des résultats
a- Le pourcentage d’erreur :
𝑒 % = 100
Σ𝑟+ − Σ𝑟−
Σ𝑟+ + Σ𝑟−
[C] Concentration totale [𝐶] = Σ𝑟+ + Σ𝑟−
On calcule les quantités en réaction en pourcentages, car ils vont nous servir dans
l’interprétation.
Exemple :
𝑟 % 𝐶𝑎 = 100
rCa
C
b- La formule ionique (caractéristique): formule de Stabler
Cette formule nous permet de classer les éléments chimiques, on part du pourcentage le plus
élevé au pourcentage le moins élevé.
Cations + (r % ↑→ r % ↓)
Anions - (r % ↑→ r % ↓)
Généralement, quand on fait la formule ionique, on associe : Na + K, NO3 + Cl
c- Le degré Français °F
La concentration en rMg et rCa qui correspond à la dureté de l’eau est exprimée en degré
Français. 1°F = 10 mg/l de Ca CO3.
Comme r Ca CO3= 50 méq/l → 1°F=0,2 méq/l → 5 °F=1 méq/l
2.2. Détermination chimique
a- Résidu sec
Représente la minéralisation totale de l’eau, c.-à-d. la totalité des sels dissous et des matières
organiques contenues dans l’eau. Il est exprimé en g/l, mg/l.
b- Le T A C (Titre Alcalimétrique Complet)
Il donne la teneur en HCO32- et CO3- alcalin et alcalino-terreux et en OH- de l’hydrate alcalin
Na OH et K OH contenu dans l’eau. Il traduit le caractère basique de l’eau, exprimé en méq/l
ou °F.
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T A C = r CO3 + r HCO3 + r OH (méq/l, =x5 °F)
c- Le T A (Titre Alcalimétrique)
Représente la teneur en carbonate alcalin et alcalino-terreux et en OH- de l’hydrate alcalin Na
OH et K OH contenu dans l’eau. Il traduit le caractère basique de l’eau, exprimé en méq/l ou
°F.
T A = r CO3 + r OH (méq/l, =x5 °F)
Le TAC et TA, donnent la répartition des carbonates et bicarbonates dans l’eau et
caractérisent l’alcalinité ou la basicité de l’eau.
e- Le degré Hydrométrique (°dH) dureté de l’eau
indique la teneur totale en sel de Ca et Mg et accessoirement Fer+3, Al+, Ba+2, Sr+2, Mn+2,
exprimé en méq/l.
dH= r Ca2+ + r M2+) méq/l ou °F.
Il existe une classification en fonction de la dureté :
Dureté
Eau
0-3
3-15
15-30
>30
Très douce
Douce
Dure
Très dure
2.3. Caractéristiques physico-chimiques
a- La température
La température des eaux souterraines varie en fonction des saisons et de la profondeur. En
hiver elles sont chaudes et été c’est le contraire. Cette température est influencée par
l’extérieur jusqu’à une certaine profondeur au-delà de laquelle elle est influencée par le
gradient géothermique qui est 1°C chaque 33 m.
b- La conductivité
Il y a une relation entre la conductivité σ et des sels dissous dans l’eau, elle permet une
estimation de la minéralisation de l’eau. La mesure de σ est effectuée sur le terrain in-situ
avec le conductivimètre portatif, l’unité de mesure est mho/cm ou siemens/cm. Conductivité
élevée implique une minéralisation élevée.
La résistivité permet d'apprécier la concentration des électrolytes dissous dans l’eau, elle
permet donc de nous renseigner sur la minéralisation globale d'une eau. Plus la résistivité
faible plus minéralisation faible.
c- Le PH
Les eaux sont soit acides PH<7, neutre PH=7 ou basique PH >7
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3. Représentation des analyses chimiques (faciès hydrochimiques)
3.1. Généralités
Pour une eau souterraine, le faciès chimique correspond à la catégorie dans laquelle on peut
classer cette eau en fonction de ses concentrations respectives en éléments majeurs
(hydrogénocarbonates, carbonates, chlorures, sulfates, nitrates, sodium, potassium, calcium,
magnésium).
Une solution est toujours électriquement neutre !
Équation d’éléctroneutralité : Σ cations + Σ anions = 0
La représentation des faciès hydrochimiques peut être faite grâce à des diagrammes, des
analyses statistiques. Ces différents outils ont pour objectif de faire ressortir les concentrations
principales de l’eau afin de procéder à une classification.
3.2. Modes de représentation des faciès chimiques
a- Le diagramme de Stabler
Représentation de la contribution de chaque espèce ionique à la somme cationique ou à la
somme anionique. Les unités sont des équivalents par litre (eq/l) ou des meq/l. Ce type de
graphique ne concerne qu’un échantillon d’eau à la fois.
Son utilité réside dans la compréhension des équilibres carbonatés → en d’autres termes, il
permet de représenter l’alcalinité.
Fig. 2: Diagramme de Stabler
b- Le diagramme de Piper
C’est une représentation graphique de la chimie d'un ou plusieurs échantillons d'eau. Les
anions et les cations sont représentés dans deux diagrammes ternaires distincts. Les sommets
du diagramme ternaire des anions sont le sulfate, le chlorure et les carbonate +
l'hydrogénocarbonate. Les sommets du diagramme ternaire des cations sont le magnésium, le
calcium et sodium + potassium.
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Les deux diagrammes ternaires sont projetés dans un losange déterminant le faciès chimique
d’une eau. Les unités de mesures utilisées sont les % de meq/l.
Ce type de représentation est particulièrement adapté pour étudier l’évolution, dans le temps,
du faciès des eaux.
Fig. 3: Diagramme de Piper
c- Le diagramme de Schoëller Berkaloff
Il permet de représenter le faciès chimique de plusieurs eaux à la fois. La concentration de
chaque élément chimique est figurée par une ligne verticale en échelle logarithmique. Une
ligne brisée est formée en reliant tous les points figurant les différents éléments chimiques.
Les concentrations sont exprimées en en mg/l ou meq/l.
Le faciès prend le nom selon la concentration des anions et cations les plus élevées. On
commence par l’anion puis le cation.
Exemple : Faciès Chloruré sodique, Bicarbonaté calcique, etc…
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Fig. 4: Diagramme de Schoëller Berkaloff
4. Critères de qualité de l’eau
La géochimie de l’eau souterraine peut comporter certaines substances indésirables présentes
de façon naturelle à cause des caractéristiques géologiques du milieu. Des contaminants
d’origine anthropique, découlant des activités humaines exercées en surface, peuvent aussi
affecter l’eau souterraine. Les organismes gouvernementaux ont élaboré deux types de
critères de qualité concernant l’eau potable.
Les concentrations maximales acceptables (CMA) sont des normes de qualité, exigées par
le Règlement sur la qualité de l’eau potable (Q-2, r.40) de la Loi sur la qualité de
l’environnement du Québec (MDDELCC 2014d), visant à éviter des risques pour la santé
humaine. Les CMA incluent des normes bactériologiques, ainsi que des normes
physicochimiques portant sur des substances inorganiques et sur des substances organiques.
Par exemple, les nitrates (en N-NO3) ne doivent pas dépasser 10 mg/L pour prévenir la
méthémoglobinémie (syndrome du bébé bleu) et est aussi considéré comme possiblement
cancérogène pour l’être humain. Dans le cas du baryum, la concentration ne doit pas dépasser
1 mg/L car une trop grande consommation pourrait entraîner des maladies cardiovasculaires
ou une augmentation de la pression artérielle. Dans le cadre des PACES, les échantillons ont
été envoyés dans un laboratoire accrédité par le MDDELCC pour l’analyse des paramètres de
potabilité donnés dans le tableau 1.
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Exercice :
Soient les résultats d’une analyse chimique suivants ; exprimés en mg/l d’un même forage à
deux périodes.
Période Ca2+
1
83
2
150
Mg2+
11
54
Na+
19
50
K+
3
2
SOS269
413
HCO3Cl190
40
240
115
NO338
4
σ
700
1600
PH
7.9
8.0
Interprétez les résultats et donnez la classification des eaux selon les trois méthodes (Stabler,
Piper et Schoëller Berkaloff.
1- Quantité en réaction
2- Pourcentage d’erreur
3- Les formules ioniques (caractéristiques)
5- Le TAC et TA
6-Le degré Hydrométrique (°dH)
7- La représentation graphique
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