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hydrogéologie:
les ressources en eau du sous-sol
retour accueil, cours PE1, le sous-sol, l'eau
Un article de référence: Ressources en eau, Pierre Chauve, dans Enseigner la géologie, collège-lycée, 1990, Nathan.
Un manuel scolaire de référence: SVT 2nde, Nathan, 1993 (dont le programme n'est plus en vigueur)
Pour d'autres sources voir la page sur l'eau.
Sommaire de cette page:
la planète bleue // le cycle de l'eau // les nappes et les aquifères // géochimie des eaux souterraines // biologie des eaux souterraines
Le terme d'hydrogéologie est ancien et on le trouve notamment comme titre d'un ouvrage de 1802 de J.-B. Lamarck, souvent cité comme
premier ouvrage où apparaît le mot «biologie». L'hydrogéologie, comme la biologie sont pour lui l'une des trois parties de la physique terrestre:
«La première doit comprendre la théorie de l'atmosphère, la météorologie, la deuxième, celle de la croûte externe du globe,
l'hydrogéologie ; la troisième enfin, celle des corps vivants, la biologie.»
Dans une acception plus moderne, l'hydrogéologie se réserve le domaine englobant le sol et le sous-sol et les interactions de la géologie avec les
eaux de surface; l'hydrologie étant alors définie comme la science des eaux .
L'hydrogéologie est donc la science des eaux souterraines. Elle a pour objet l'étude du rôle des matériaux constituant le sol et le sous-sol et
des structures géologiques dans l'origine, la distribution et le mode de gisement, les modalités de l'écoulement et les propriétés physico-chimiques
de l'eau. Elle se préoccupe également de l'exploitation (géologie appliquée) et de la conservation des ressources en eaux souterraines (gestion de la
ressource).
N.B. Des données précises sur l'eau ont été données sur une page réalisée pour le défisciences départemental du Finistère: l'eau.
1. la planète bleue
réservoirs
eau "salée": océans
glaces
eaux souterraines
(phréatiques, et de
subsurface)
hydrosphère eaux
douces eaux de surface
(lacs, rivières,
fleuves)
atmosphère
eau biologique
lithosphère,
asthénosphère
et
mésosphère
volumes
% du volume total des eaux de l'hydrosphère (%
106 km3 du volume des eaux douces) % volume total des
eaux du globe terrestre (très approximatif)
1.340 97,1% (78,3%)
1.380
24
1,7% (60,0%)
16-60
2,9%
0,176- (2,3%)
0,330
1,2% (40,0%)
0,01% (0,2%)
0,0130,001% (0,03%)
0,014
0,00112 0,0001% (0,003%)
croûte
22,4%
manteau
masses
(1020g)
13.40013.800
240
160-600
1,76-3,30
0,13
flux
temps de
(1020g.a- séjour
1)
(a)
4,25 3.000-3.172
12.000
0,40
5000-8.250
0,40
0,033
(fleuves)5,600-10
(lacs)
0,40 0,027-0,300
2.430
(1% du
poids de la
croûte)
1.500
(0,05% du
poids du
manteau
D'après Castany, Tardy et Lvovitch...
Les chiffres en gras sont remarquables: l'eau de la terre est principalement dans l'hydrosphère: c'est de l'eau salée des océans (80% environ de la
masse totale) alors que l'atmosphère ne représente que 1 millième de cette masse d'eau, les eaux douces de surface 1 centième et les eaux
souterraines 1 dixième. On estime qu'une molécule d'eau reste en moyenne 3.000 ans dans l'océan, 12.000 ans dans les glaces et 5.000 ans dans
les eaux souterraines alors qu'elle ne reste que 10 ans tout au plus dans un lac, 100 jours dans l'atmosphère et deux semaines dans un fleuve. (les
sources de ces chiffres sont assez divergentes et il faut bien sûr les manier avec précautions).
Remarque:
Un article récent (M. Murakami et al. , Science, 295, 1885, 2002) donne des chiffres de 0,2 à 0,4% d'eau pour la perovskite et la magnésiowüstite, minéraux principaux
du manteau inférieur (voir page sur les volcans). Ce manteau inférieur représente une enveloppe comprise entre 650 km et 2900 km soit environ 70% du volume du
manteau total. Celui-ci était estimé à 0,05% d'eau (voir tableau ci-dessus). Avec la nouvelle estimation, on arrive donc à un chiffre compris entre 4.650 1020g et 8850
1020g pour la masse d'eau du manteau soit une masse qui n'est pas loin d'atteindre celle de l'hydrosphère (11.280 1020g tout au plus pour la croûte et le manteau à
comparer aux 14.000 1020g de l'hydrosphère). Les auteurs estimant, pour leur part, qu'il y aurait dix fois plus d'eau dans le manteau et la croûte que dans l'hydrophère
(brève dans La Recherche, 353, mai 2002, 8).
2. le cycle de l'eau
L'énergie solaire (calorifique) qui provoque l'évaporation de l'eau qui passe de l'état liquide à l'état gazeux dans l'atmosphère (à pression
atmosphérique) et la gravité qui provoque la chute des précipitations (eau condensée liquide (pluie) ou solide (glace et neige) et l'écoulement des
nappes ou des glaciers sont les moteurs des mouvements de l'eau au niveau de l'hydrosphère (enveloppe théorique superficielle de la terre
contenant une grande quantité d'eau: recouvre la partie basse de l'atmosphère, la quasi-totalité de la biosphère, et la partie supérieure de la crôute
terrestre). L'eau décrit ainsi un cycle dans la mesure où la quantité d'eau de l'hydrosphère est quasiment fixe, aucune eau ne s'échappe vers le haut
de l'atmosphère (gaz trop lourd, attiré par la gravité terrestre) et aucune eau ne se mélange à la lithosphère (ce qui est certainement faux, mais on
peut imaginer que cette eau mélangée aux roches du manteau pourra un jour revenir à la surface du fait des mouvements de convection du
manteau...: on admet que ces eaux dites juvéniles représentent quelques kilomètres cube par an).
Le cycle concerne donc plus particulièrement les états successifs de l'eau dans l'hydrosphère:
* à l'état gazeux (vapeur d'eau), liquide (goutelettes d'eau formant les gros nuages qui nous apparaissent gris comme les cumulo-nimbus) ou solide
(nuages de glace qui nous apparaissent fins et étirés et blancs brillant), l'eau est en suspension dans l'atmosphère basse ou troposphère (voir
structure de l'atmosphère). Cette masse d'eau atmosphérique est en mouvement (vents) en fonction des zones de pression : l'air humide et chaud
ayant tendance à s'élever; l'air froid et sec à s'abaisser. Une augmentation de pression (à humidité fixe) et donc par exemple une descente
consécutive au passage d'un relief provoque un changement d'état du gaz vers le solide ou le liquide alors qu'une remontée à l'arrivée d'une masse
d'air humide sur un relief par exemple, ne provoque pas de précipitation (c'est pour cela qu'il pleut beaucoup plus sur le versant opposé à celui
exposé au vent dominant).
* à l'état solide (neige et glace) ou liquide, l'eau s'écoule par gravité dans les bassins continentaux ou marins. Une partie de l'eau pénètre dans le sol
puis le sous-sol. Une autre partie de l'eau est emmagasinée dans les organismes vivants (biosphère).
* le retour vers l'atmosphère se fait par évaporation ou sublimation (mais pas à pression atmosphèrique, voir toujours le même graphe des
changements d'état de l'eau) soit au niveau des surfaces d'eau libre soit par l'évapotranspiration ou la respiration des êtres vivants.
Remarque:
Je ne recommande pas l'utilisation du diagramme de phases de l'eau (voir graphe des changements d'état de l'eau). J'ai tenté de reporter directement sur le diagramme
de phases de l'eau ces trajets et j'ai eu la surprise de voir que la phase gazeuse n'était quasiment jamais présente alors que je crois savoir que dans l'air au contact
d'une surface d'eau libre, il y a une grande quantité de vapeur d'eau (voir hygrométrie). Je ne suis pas certain de mon explication, mais je pense que ce diagramme de
phases est en quelque sorte trompeur car il ne reflète que le comportement d'un CORPS PUR: c'est-à-dire de l'eau toute seule. Dans l'atmosphère, l'eau est présente
dans un gaz et même dans un mélange de gaz. Sa pression (dite partielle) est conditionnée par la pression des autres gaz constituant l'atmosphère (voir page
d'annexes sur l'atmosphère). A 0 m d'altitude la pression de la vapeur d'eau dans l'air n'est pas de 10 5Pa (comme si l'air était uniquement composé d'eau mais elle est
de l'ordre de quelques centièmes de cette valeur). Par contre si l'on chauffe une casserole d'eau, de la vapeur d'eau s'échappe en grande quantité au-dessus de la
masse d'eau en ébullition et la pression partielle de l'eau atteint presque la pression atmosphérique... La pression partielle de l'eau dans l'air est mesurée
expérimentalement grâce à l'apparition d'eau liquide par condensation: les pressions (tensions) données ci-dessus en sont le reflet (la tension de vapeur d'eau ,
exprimée en hectopascals, correspond à la pression partielle due à la vapeur d'eau; additionnée à la pression partielle due à l'air sec, elle détermine la pression totale
de l'air humide):
tension de vapeur
saturante au-dessus -40°C -20°C -10°C O°C
10°C 20°C 40°C
de
l'eau liquide
0,19 hPa 1,25 hPa 2,86 hPa 6,11 hPa 12,3 hPa 23,4 hPa 73,8 hPa
la glace
0,13 hPa 1,03 hPa 2,60 hPa 6,11 hPa
1 atm = 760 mm d'Hg = 105 Pa = 1013 hPa = 101,3 kPa = 0,1 GPa
Le temps moyen de résidence d'une molécule d'eau dans un de ces réservoirs (atmosphère, glaces, eaux douces, mers...) est estimé dans le
paragraphe sur la planète bleue).
Les chiffres en rouge sont les
tailles des réservoirs (en 1020g
- voir le tableau (planète bleue)
pour d'autres chiffres) et les
chiffres en vert sont les flux
d'eau (en 1020g pour une
année).
On notera qu'au niveau des
océans le bilan annuel des
précipitations par rapport à
l'évaporation est négatif (plus
d'eau évaporée que d'eau
Un cycle de l'eau (d'après Tardy) sur terre.
reçue) alors que le bilan est
positif pour les précipitations
par rapport à
l'évapotranspiration au niveau
des continents.
Les hydrogéologiques travaillent non pas à l'échelle de la terre car c'est un système sont trop complexe à modéliser mais au niveau de bassins
versants qui sont des volumes contenant une aire géographique alimentée par des reliefs (points d'entrée) et donc des eaux de ruissellement
(secondairement par des eaux souterraines entrées au niveau de ces reliefs) et dont le point de sortie est le plus localisé possible (nommé
l'exutoire). Vers le haut, le bassin versant comprend aussi les masses atmosphériques alimentant les reliefs en précipitations. On modélise ainsi
dans un volume clos les entrées, les circulations et les sorties.
Les hydrogéologues préfèrent utiliser un calendrier décalé débutant par les crues d'automne (fin septembre dans nos régions) et se terminant par
les étiages (niveaux les plus bas des nappes) estivaux.
Le bilan annuel hydrologique d'un bassin est exprimé de la façon la plus générale par la formule:
P=précipitations
Q=débit des rivières ou ruissellement
E=évapotranspiration
P = Q + E + I ± ​R
I=infiltration et ​R=variations des
réserves)
Sur une longue période (moyenne sur plusieurs années) on néglige les réserves.
entrées sorties
Bilan hydrologique du bassin versant
correspondant aux 4 départements
francs-comtois
(débit moyen annuel en m3.s-1)
P
(pluie et 602
neige)
Q
(Saône
18
amont)
Q
(Saône aval,
Doubs, autres)
E
TOTAUX 620
60
+ 176
+ 129
255
620
lame d'eau en mm S O N D J F M A M J J A
P
53 60 73 66 57 50 45 43 46 48 36 57
E
63 31 16 13 15 20 45 72 99 114 124 99
I estimée
0 30 45 45 40 30 10 0 0 0 0 0
Bilan hydrologique mois par mois (moyennes calculées sur 20 ans à Rennes)
P: précipitations; E: évapotranspiration ; I: infiltration
Le graphe ci-dessous est construit à partir de ces chiffres.
Bilan hydrologique (moyenne sur 20 ans à Rennes):
E: évapotranspiration; P: précipitations; I: infiltration estimée
2 et 3: mise en charge des nappes par infiltration
4 et 1: utilisation des ressources en eau du sol puis dédicit hydrique en surface
Un petit modèle extrêmement simplifié du cycle de l'eau est utilisé dans l'enseignement primaire et même secondaire. Comme il ne présente pas
toutes les étapes du cycle de l'eau car il n'y a pas de retour de l'eau de précipitation à l'eau de mer et il n'y a pas de phase solide, il s'agit plus, à
mon avis, d'un modèle (purement physique) de formation de pluie à partir de l'eau de mer. Mais cela n'empêche pas de rêver en face de ce
montage et de voir les nuages passer au-dessus de la mer sur laquelle vous naviguez. Il est à mon avis très instructif.
Sa mise en place dans le cadre de l'apprentissage à la méthode expérimentale est présenté dans le cours de seconde sur les pages du site associé.
3. les nappes et les aquifères
3.1 Les eaux d'infiltration (du sol au sous-sol)
Les eaux d'infiltration passent d'abord dans le sol puis le sous-sol.
L'eau de gravitation (eau
gravitaire ou encore eau de
gravité) est inutilisable par la
végétation car elle s'écoule
rapidement à travers un sol
qui est poreux avec des
pores de grand diamètres (on
parle de macropores par
lesquels passe l'eau de gravité
ou "eau de macroporosité").
Dans le cas d'un sol peu
poreux mais avec des pores
de petit diamètre (on parle de
micropores qui retiennent
"l'eau de microporosité") l'eau
pénètre dans le sol est y est
retenue: c'est l'eau de
rétention, utilisable par les
plantes sauf pour une fraction
liée aux éléments solides du
sol (comme le complexe
argilo-humique) avec des
forces intervenant dans la
capillarité (tension
superficielle) ou des forces
éléctrochimiques.
L'eau de gravité s'écoule vers
le sous-sol et va constituer les
eaux souterraines.
L'eau du sol contient de nombreuses bactéries et unicellulaires. Lorsqu'elle arrive dans le sous-sol elle est encore chargée de nombreux êtres
vivants. L'aseptie d'une eau souterraine dépend des roches qu'elle a traversé, de la durée et de la profondeur de circulation... nous en reparlerons
dans la partie sur les pollutions. D'une façon générale on peut dire que toute eau souterraine reste un milieu de vie (voir biologie).
3.2 les gisements des eaux souterraines
L'eau qui arrive dans le sous-sol s'y accumule et y circule. Deux paramètres mesurent ces deux aspects:
* la porosité (et plus spécialement la porosité efficace) des roches du sous-sol détermine leur capacité d'accumulation de l'eau (et plus
spécialement de l'eau exploitable).
* la perméabilité des roches du sous-sol détermine leur capacité à conduire les eaux souterraines.
Pour mesurer la porosité d'une roche on mesure tout simplement la quantité d'eau (volume) qu'elle est suceptible de retenir (différence entre la
masse de roche sèche et la masse de roche après ressuyage, c'est-à-dire écoulement de toute l'eau de gravité). C'est donc un pourcentage qui
exprime le volume disponible pour l'eau (ou un autre liquide de densité voisine qui occuperait le même espace) par rapport à un volume donné de
roche. On donne parfois la porosité efficace en L/m3, ce qui revient à donner le résultat en ‰(1/1000).(montage donné dans le corrigé du sujet du
CRPE d'Aix-Marseille 99).
Pour mesurer la perméabilité qui est une variable dynamique ayant les unités d'une vitesse, on mesure le débit d'eau passant à travers une colonne
de roche de hauteur et de section donnée, à pression constante. Pour cela on réalise un montage simple:
La colonne d'eau est à une hauteur constante L
maintenue grâce à une arrivée d'eau continue et à
un trop plein.
La hauteur H du cylindre de roche perméable et la
section S déterminent le volume traversé. On
attend que le système se stabilise (en 3 à 4 heures
d'écoulement) pour mesurer, en fonction du temps
le volume d'eau recueilli ayant traversé le cylindre
de roche (par exemple une mesure de volume
toute les minutes pendant 30 minutes). Le débit
moyen est alors estimé. Ce qui permet de calculer
la perméabilité K:
K = (Q x L) / (S x H)
(tirée de la formule plus classique Q = K x (H x S)
/ L)
(d'après Nathan, SVT 2nde, 1993, p 163)
Q = débit moyen = quantité d'eau s'étant écoulée à
travers la roche par unité de temps. L, H, S: voir
schéma ci-contre.
Coefficient de perméabilité (K). D'après la loi de Darcy, le coefficient de perméabilité K peut être défini
comme le volume d'eau qui s'écoule pendant l'unité de temps à travers l'unité de surface d'une section
de terrain sous un gradient hydraulique égal à l'unité. Il a la dimension d'une vitesse : LT -1 et peut être
différent suivant la direction d'écoulement envisagée.
D'une façon plus générale:
Loi de Darcy ; établie expérimentalement en 1856 par Henri Darcy (1803-1858): lors d'un écoulement
d'un fluide dans un milieu poreux, la moyenne spatiale des vitesses dans les pores est proportionnelle
au gradient de la pression motrice du fluide ;
v = ki
(où v est la vitesse d'écoulement sous un gradient hydraulique i = dh /ds , dh étant la perte de charge
le long de l'élément d'arc ds d'une ligne de courant, et où k est le coefficient de perméabilité); on
mesure k au moyen d'un essai de percolation; il peut varier de 10 à 10-10 cm.s -1 selon la granulométrie.
roche (non
fracturée)
porosité totale
ou
(L.m-3 de roche
porosité
efficace
perméabilité
(m.s-1)
saturée)
(L.m-3)
400-500
10-20
10-7 - 10-10
calcaire
10-100
10-50
10-2 - 10-6
craie
100-400
10-50
10-3 - 10-5
1-50
1-20
10-5 - 10-10
200-400
50-250
300-350
150-250
20-150
100-150
10-2 - 10-4
10-100
1-20
10-7 - 10-10
sédiment
argile
granite
gravier
grès
sable fin
schiste
10-3 - 10-6
D'après Bordas, SVT 2nde, 1987, p245
On notera que le calcaire et l'argile ont des porosités efficaces voisines
alors que si le calcaire est une roche très perméable, l'argile est au contraire très peu perméable.
Voici quelques valeurs limites usuelles :
graviers
gravillons
Seuil 1
10-2 m.s-1
sables purs
Seuil 2
10-5 m.s-1
sables très
fins
=
=
perméabilité 60 cm par perméabilité 86 cm par perméabilité
Seuil 3
argiles
10-9 m.s1
=
imperméabilité
très bonne
minute
bonne
jour
mauvaise
3 cm par
an
Cependant ces chiffres ne signifient pas grand chose du fait de l'échelle d'expérimentation: on travaille ici sur des échantillons centimètriques alors
que l'hydrogéologue s'intéresse à des couches qui occupent des kilomètres cubes. La fracturation à toutes les échelles devient le facteur dominant
qui détermine la quantité d'eau pouvant être contenue dans la roche et des circulations possibles (notamment l'orientation de la fracturation). En
pratique on utilise le coefficient d'emmagasinement qui est estimé à partir des débits de prélèvement par forage.
Coefficient d'emmagasinement (S). Il peut être défini comme le volume d'eau pouvant être libéré ou emmagasiné par un prisme vertical du matériau aquifère de
section égale à l'unité, à la suite d'une modification unitaire de niveau piézométrique ou de charge. C'est un coefficient sans dimension. Dans les nappes captives,
l'eau libérée dépend entièrement de la compressibilité du matériau aquifére et de l'eau et ce coefficient est faible (de 10-3 à 10-6). Dans les nappes libres, l'effet de la
compressibilité du matériau aquifère et de l'eau étant généralement négligeable, le coefficient d'emmagasinement correspond pratiquement au volume d'eau
gravitaire saturant la roche, donc à la porosité efficace. Son ordre de grandeur est généralement compris entre 1.10-2 et 2.10-1.
Dans un complexe hydrogéologique, comme le grand bassin sédimentaire de Paris ou un massif granitique et métamorphique comme le massif
armoricain , à l'échelle des surfaces évaluées à des dizaines de milliers de kilomètres carrés et des temps portant sur des siècles, voire des
millénaires, il n'y a aucune formation géologique étanche.
Ag: arène granitique (produit de l'altération du granite; c'est un sable
grossier argileux); l'accumulation d'eau peut y être importante parcontre la
productivité est faible (5 à 10 m3/h ; à titre de comparaison la Loire a un
débit moyen de plus de 800 m3/s soit 3 millions de m3/h)
Quelques gisements Gm: granite massif non fracturé: non productif (et pourtant sa porosité
de l'eau en pays n'est pas nulle, ni sa perméabilité à l'échelle du massif);
granitique (d'après "Les Gf: granite fissuré: l'accumulation d'eau y est faible sauf si une arène se
gisements de l'eau", production développe;
APBG)
Gdf: granite décompressé et fissuré: l'emmagasinement y est faible et la
Les zones en bleu ne
représentent pas de l'eau productivité peut atteindre 20 à 30 m3/h si l'arène le recouvre comme ici;
libre.... mais des zones Gfr: granite fracturé: l'emmagasinement est faible mais la productivité est
plus riches en eau.
forte (peut atteindre 50 à 100 m3/h) si les fractures sont bien ouvertes et
orientées;
le forage F atteint les eaux profondes des fractures;
le puits P atteint la nappe phréatique de l'arène granitique dont le niveau
piézométrique est reptésenté en pointillé (voir plus bas).
En pratique on classe les roches en 3 groupes:
les roches poreuses mais imperméables: essentiellement les roches argileuses dont le diamètre des pores est tellement petit (bien inférieur
aux dixième de millimètre qui est la taille maximale des pores) que la circulation y est quasiment nulle. La fracturation de ces roches est
souvent compensée par leur gonflement dès qu'elles s'imprègnent d'eau et leur perméabilité reste très faible.
les roches poreuses, perméables en petit: ces roches sont cohérentes (comme le calcaire, le grès, la craie... et dans ce cas peuvent
présenter en plus une perméabilité de fissures "en grand") ou meubles (sables, graviers, cailloutis, sédiments volcaniques...) et sont
perméables dans toute leur masse du fait de la présence de tout un réseau de pores plus ou moins interconnectés (diamètre des pores
inférieur au dixième de millimètre).
les roches non poreuses, perméables en grand: pratiquement imperméables à l'échelle de l'échantillon, ces roches sont cependant
fracturées dans la nature (microfissures de moins de 0,25 mm de large ou fissures si la largueur est supérieure) et renferment de grandes
quantités d'eau, souvent exploitables. Dans le cas des roches carbonatées s'y ajoute une dissolution qui agrandie les fractures (qui peuvent
alors avoir un mètre ou même plusieurs mètres de large) et donne un relief caractéristique: le relief karstique.
Les 3 types de perméabilité : (d'après Enseigner la géologie, Nathan, 1992)
les grains solides sont en ocre, l'eau de rétention en bleu clair et l'eau gravitaire libre en bleu foncé.
C'est la différence d'échelle qui est le paramètre majeur: une imperméabilité en petit ne veut pas dire une imperméabilité en grand.
Remarque: "en petit" fait référence à une grande échelle, c'est-à-dire ici à des structures observables à la loupe; "en grand" fait référence à une
petite échelle, c'est-à-dire ici à des structures de plusieurs mètres à pliusieurs centaines de mètres.
Les aquifères sont donc des couches géologiques (roches magmatiques ou métamorphiques fissurées ou roches sédimentaires poreuses ou
fissurées) qui contiennent de l'eau exploitable et donc À SATURATION. L'eau contenue formant une nappe ou nappe aquifère. Les nappes
phréatiques sont les nappes superficielles accessibles par des puits. Les nappes profondes ne sont accessibles que par des forages coûteux.
Aquifère: formation géologique réservoir poreuse ou fracturée susceptible de contenir ou contenant une nappe d'eau. En fait, le terme désignait
habituellement non seulement la roche mais aussi l'eau. Pour éviter toute confusion on préfère actuellement n'employer ce terme que pour
désigner la roche. L'eau étant qualifiée de nappe aquifère ou mieux de nappe d'eau souterraine.
Schéma théorique d'une coupe d'un terrain présentant une aquifère coincée entre deux couches peu perméables
(le toît au-dessus et le mûr au-dessous).
La partie de l'aquifère la plus à gauche (aire d'alimentation) contient une nappe phréatique (libre) atteinte par le puits P. La surface
piézomètrique de la nappe SPnl lorsque l'aquifère est remplie est représentée par le trait bleu.
La partie de l'aquifère qui contient une nappe captive est à droite. Les forages F1 et F2 atteignent la nappe et l'eau y monte jusqu'à la surface
piézomètrique SP2 (en violet, trait continu) lorsque l'aquifère est pleine, alors qu'elle atteint par exemple la surface SP3 (en violet, trait pointillé)
lorsque l'aquifère est peu remplie. Le forage F2 est un forage artésien dans la mesure où l'eau peut s'écouler naturellement au-dessus du niveau du
sol.
Nappe (d'eau souterraine) ou nappe aquifère: masse d'eau continue contenue (recelée) dans une formation géologique. Le terme nappe
aquifère est trompeur car il désigne à la fois la masse d'eau et la roche réservoir.
Nappe phréatique: nappe libre peu profonde (atteinte par les forage des puits de particuliers: 0 à 50m) dont le niveau piézomètrique
correspond au niveau de l'eau dans un puits. Les nappes plus profondes sont les nappes d'eaux de subsurface (50 à 250 m) puis les nappes
d'eaux profondes (au delà de 250 m).
Nappe captive, nappe recélée par une couche perméable entièrement saturée d'eau et comprise entre deux couches (ou épontes) imperméables
(aquicludes: matériau comme les argiles, les granites ou les calcaires compacts où l'eau s'écoule très lentement (quelques millimètres par an) car
en fait l'imperméabilité n'est jamais totale).
Dans les nappes captives, la pression de l'eau, en tout point, est supérieure à celle de la pression atmosphérique. Un puits artésien abouche une
nappe captive. Le niveau piézomètrique est plus haut que le niveau où le forage rencontre la nappe. Si l'eau jaillit à l'air libre on parle de puits
artésien jaillissant (puits artésien sens strict). Dans une nappe captive le toît de la nappe et la surface piézométrique sont distincts (sauf si l'aquifère
est quasiment vide).
Nappe semi-captive ou imparfaitement captive, nappe recélée par une couche perméable entièrement saturée d'eau dont une des épontes,
ou les deux, est une couche semi-perméable.
Nappe libre, nappe recélée par une couche perméable partiellement saturée d'eau et reposant sur une couche imperméable ou semi-perméable.
Elle est en communication directe avec l'air libre à travers les interstices, de façon à ce que la surface piézométrique soit toujours à la pression
atmosphérique.
Surface piézomètrique: définie en chaque point par le niveau le plus haut (niveau piézomètrique) atteint par l'eau d'une nappe montant dans un
conduit de forage atteignant cette nappe. En coupe cette surface décrit des lignes de niveaux piézomètriques identiques ou isopièzes. Lors d'un
prélèvement d'eau, la surface piézomètrique s'abaisse autour du point de pompage, c'est le rabattement de la nappe. Cette surface fluctue bien
sûr dans le sens vertical en fonction de l'alimentation et de la vidange.
Des montages simples avec des bacs à sable peuvent permettre de visualiser les caractéristiques théoriques d'une nappe libre. Voir par exemple la
partie 1 du volet 1 du sujet du CRPE d'Aix-Marseille 1999 (document 2).
Pour faire saisir visuellement le contenu en eau d'une aquifère on peut, en classe primaire, à l'aide de matériaux poreux et non poreux, suivre
l'éventuelle progression de l'eau par capillarité: une craie dont l'extrêmité plonge dans l'eau se "mouille" en quelques minutes (sa perméabilité est de
l'ordre du décimètre ou mètre à l'heure: 10-5 à 10-3 m.s-1).
3.3 l'exploitation des nappes
La productivité d'une couche aquifère est fonction des paramètres précédents (perméabilité, coefficient d'enmagasinement) mais aussi de son
épaisseur, H (pour une nappe libre) ou e (pour une nappe captive); le produit T = KH ou T = Ke (en m2. s-1) est appelé transmissivité. Le
paramètre pratique utilisé lors de l'exploitation est la diffusivité T/S, quotient de la transmissivité par le coefficient d'emmagasinement. Par exemple
pour les sables albiens du bassin de Paris, T = 0,3 m2. s-1 et S = 0,005; d'où T/S = 60 m2. s-1.
En France (d'après SVT, 2nde, Hachette, 1997),
* 46% des eaux souterraines prélevées proviennent d'aquifères à nappe libre liées à des cours d'eau (nappe alluviale), ce qui représente 2.200 hm3
par an;
* 33% proviennent des aquifères à nappes libres non liées aux cours d'eau directement mais alimentées par des eaux de pluie principalement (ou
par d'autres quifères), ce qui représente 1.600 hm3 par an;
* et enfin 21% proviennent d'aquifères à nappes captives, 1.000 hm3 sont ainsi pompés annuellement.
(d'après SVT, 2nde, Hachette, 1997)
utilisateurs
collectivités (eau potable)
industries
centrales thermiques
agriculture
tous utilisateurs (% par type
d'eau)
eaux de surface
% par
utilisateur
volume
(hm3/an)
% par type
d'eau
40
1700
8
64
3500
12
100
12000
56
79
4100
19
21.300
79
eaux de source
% par
utilisateur
volume
(hm3/an)
% par type
d'eau
20
900
100
eaux souterraines pompées
% par
utilisateur
volume
(hm3/an)
% par type
d'eau
40
1700
35
36
2000
42
0
0
0
0
0
0
0
1100
0
total
(hm3/an)
4300
5500
12000
21
5200
23
900
3
4800
18
27.000
Lors d'un prélèvement d'eau, la surface piézomètrique s'abaisse autour du point de pompage, c'est le rabattement de la nappe.
Les nappes phréatiques et alluviales par exemple ont des durées de renouvellement très courte (quelques années) alors que les nappes les plus
profondes peuvent avoir des durées de renouvellement très longues (l'eau s'y renouvelle extrêmement lentement). En voici quelques exemples:
aquifères
taux annuel moyen de renouvellement durée de renouvellement (années)
bassin du Sahara septentrional (Algérie,
70.000
1,4.10-5
Tunisie)
aquifère des sables verts du bassin de
20.000
5.10-5
Paris
aquifères à nappe libre de l'Arizona
4.000
2,5.10-4
(USA)
aquifères du bassin de Maranhao (Brésil)
aquifères du bassin de Maranhao (Brésil)
13.10-4
800
Il est donc clair que l'eau "fossile" représente alors une ressource épuisable.
4. géochimie des eaux souterraines
4.1 la minéralisation et la qualité des eaux souterraines
La minéralisation des eaux souterraines phréatiques et de subsurface dépend tout d'abord des roches traversées lors de l'infiltration: il y a bien sûr
des variations saisonnières et d'une année sur l'autre.
Les eaux souterraines profondes ont une minéralisation plus stable dans le temps et plus importante que les eaux peu profondes. Il peut par contre
y avoir des contamination par des eaux juvéniles volcaniques ou hydrothermales souvent fortement minéralisées et chaudes.
exemples
N°
Vichy
Badoit
Contrexéville
eaux
minérales Vittel
Evian
Volvic
alluvions
calcaires du
Doubs
alluvions
sableuses de
la
Savoureuse
alluvions de
la Seine
eaux
d'adduction calcaire de
Beauce
potable
craie
(bordure de
côte)
sables
yprésiens
calcaires
jurassiques
granite
1
2
3
4
5
6
cations (mg/L)
anions (mg/L)
résidu sec total (mg/L)
Ca Mg Na K HCO3 SO4 Cl NO3
78 9 1744 115 4263 182 329 0
6720
272 102 180 - 1700 2254
467 84 7 3 377 1192 7 2137
202 36 3 - 402 306 949
78 24 5 1 357 10 2,2 3,8
481
10,4 6 8 5,4 64 6,7 7,5 4
112
7 92,8 2,4 2,3 1,5 251,5 13,1 8,9 12,4
385
8 74 2,5 2,3 0,7
28
5,5 2,6 1,1
116,7
9 104 3
297
19
7
448,5
10 93 4,7 7,3 2,5 253
6,6 17,5 40
424,6
11 101 1
21
5,5
1
23 1,6 256
12
42
25
470,6
12 175 23,9 13,2 3,6 437 122 33
22
829,7
13 102 4
8
2
238
20
2
391
14 19,2 0,1
8
0,8
30
34,3 5,3
-
97,7
15
Echelle logarithmique de Schoeller présentant de classer les eaux souterraines selon leur potabilité.
On a reporté ici 3 lignes du tableau supérieur:
1 (eau minérale de Vichy), 9 (eau potable tirée de la nappe des alluvions de la
Seine) et 14 (eau potable pompée d'un granite).
dh=degré hydrotimétrique en degrés français= 5 x ([Ca/40] x 21 + [Mg/24] x2)
La classification des eaux souterraines se fait aussi en 5 classes selon le type d'utilisation préférentielle:
* eau très peu minéralisée (< 250 mg/L), utile pour la fabrication de vapeur mais ne pouvant convenir à la distribution publique sans un apport de
sels dissous;
* eau peu minéralisée (250 à 500 mg/L), utilisable par l'industrie et pouvant servir à la distribution publique d'eau potable;
* eau normalement minéralisée (500 mg/L à 1 g/L), correspondant aux normes des eaux potables;
* eau non conforme aux normes de potabilité (1 à 1,5 g/L), mais pouvant être utilisée pour l'irrigation et pour abreuver les animaux.
* eau trop salée ( > 1,5 g/L), impropre en dehors d'un usage balnéaire.
4.2 les pollutions et la protection des eaux souterraines
Je précise à nouveau que nous ne nous intéressons dans cette page qu'aux eaux souterraines et non au eaux de surface, même si celles-ci peuvent
être traitées pour être rendues potables (le traitement des eaux de surface est traité dans la page générale sur l'eau)..
Le terme de pollution (souillure) en écologie moderne désigne la dégradation d'un milieu naturel à la suites de la contamination par des agents
toxiques (essentiellement liés à la production d'énergie, aux activités industrielles et à l'agriculture). Pollution fait référence à une vision écologique
(centrée sur l'habitat) et non anthropocentrique comme le fait le terme de nuisance. Et pourtant la limite est parfois floue: nuisances sonores,
nuisances esthétiques, olfactives, gustatives... pour lesquelles la santé n'est pas directement mise en danger.
Certaines nappes phréatiques européennes contiennent des traces de plus de cinquante types de pesticides différents. Certains, comme l'atrazine
(herbicide très employé sur le maïs), rendent l'eau non potable sur de vastes surfaces de certains pays de la C.E.E., par suite de la contamination
des nappes.
a. une pollution par les nitrates
Nitrates: une norme aux pieds d'argile, Marian Apfelbaum, La Recherche, 339, février 2001, p 31-34
Nitrates: une norme aux pieds d'argile, Marian Apfelbaum, La Recherche, 339, février 2001, p 31-34
La consommation de nitrates est totalement inoffensive pour l'homme, sans limite de dose. Concernant les expérimentations chez l'animal, des
doses massives, jusqu'à 2500 mg/kg de masse corporelle, n'ont provoqué aucun trouble. Chez l'homme la principale source de nitrates sont les
légumes (2 g/kg dans la laitue, les épinards, la betterave, bien davantage dans la scarole, les navets...moins dans d'autres...). La norme édictée
par l'OMS et la FAO a été fixée en 1962 à 3,65 mg/kg de masse corporelle et par jour dans un contexte d'épidémie de la maladie bleue du
nourisson aux Etats-Unis qui avait été reliée faussement à la consommation d'eaux de pluie riches en nitrates. Et pourtant la norme n'a pas été
abandonnée, elle a au contraire été renforcée à une dose journalière de 5 mg/kg de masse corporelle par ... prudence !! ! alors que tous les tests
de toxicité sont négatifs!!!
Les eaux de distribution collective qui titrent 40 mg/L de nitrates sont tout à fait potables et totalement inoffensives.
La pollution des eaux de surface par les nitrates et la distrophysation (pollution des lacs et cours d'eau se manifestant par un développement
excessif du phytoplancton et des phanérogames ; à ne pas confondre avec l'eutrophisation : enrichissement naturel d'une eau en matières
nutritives (sels minéraux) provoquant la perturbation de l'équilibre biologique des eaux par désoxygénation des eaux profondes) qui en résulte, est
un tout autre problème que l'augmentation de la teneur en nitrates des eaux souterraines potables. Les marées vertes en sont un exemple.
b. une pollution par les chlorures
Exemple de la plaine d'Alsace polluée par les résidus d'exploitation des mines de potasse (terrils contenant de grande quantité de chlorure de
sodium) ainsi que de sulfates de fer produits par l'industrie chimique locale. Voir sujet du CRPE d'Aix-Marseille 1999.
5. Biologie des eaux souterraines
Il n'y a encore pas si longtemps on considérait que les eaux souterraines étaient stériles car filtrées par la percolation des eaux d'infiltration les
alimentant. Ce n'est plus le cas.
On a découvert des micro-organismes viables à plus de 2 km de profondeur malgré des limites évidentes en éléments nutritifs: l'oxygène tout
d'abord, normalement présent mais en faible quantité. Il semblerait que les eaux souterraines, habituellement aérobies (contenant de l'oxygène libre)
, deviennent rapidement anaérobies (sans oxygène disponible) dès qu'elles sont contaminées par de la matière organique. En effet, le dioxygène
serait alors consommé pour oxyder cette matière organique, l'eau perdant alors son dioxygène. Mais d'autres éléments comme l'azote et le
phosphore, présents en très faible quantité ou absents des eaux souterraines, seraient aussi des facteurs limitant la croissance des microorganismes
profonds. La question est donc double: y-a-t-il des organismes vivants dans les eaux souterraines ? et s'y développent-ils ? Si la réponse à la
première question est sans conteste positive, la réponse à la seconde est plus nuancée. En absence de pollution (notamment organique) les eaux
souterraines restent un milieu où la croissance des êtres vivants est quasi impossible. Par contre, à la suite d'une pollution, il devient possible
d'utiliser les micro-organismes pour purifier le milieu et dégrader la matière organique.
D'autre part, on a trouvé des bactéries (vivantes ?) dans des roches (inclusions fluides) profondes jusqu'à 2,8 km (voir par exemple l'article : "les
micro-organismes de l'intérieur du globe", James Fredrickson et Tullis Onstott, Pour la Science, 230, décembre 1996, 90-95 , qui citait déjà
9.000 souches bactériennes lithotrophes profondes... (pour les types trophiques voir cours sur la nutrition)).
la planète bleue // le cycle de l'eau // les nappes et les aquifères // géochimie des eaux souterraines // biologie des eaux souterraines
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