UAG – 2013 - License 3 Initiation à l

UAG – 2013 - License 3
Initiation à l’hydrogéologie
Cours n°2
L. DUCREUX
Hydrogéologue
BRGM Guadeloupe
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Chapitre 2 – La ressource en eau
souterraine, aspect qualitatif
Plan du cours
1 –Minéralisation des eaux souterraines
2 – Paramètres de « caractérisation » de la chimie d’une eau
3 – Origine des éléments majeurs
4 – les faciès hydrochimiques
5 – réseau de surveillance en Guadeloupe
6 – Réalisation de prélèvements d’eau souterraine
7 – Notion de « fonds géochimiques »
8 – Pratiques anthropiques et impacts sur le milieu naturel
9 – Typologie des pollutions
10 – Problématiques locales
2
Minéralisation des eaux souterraines
Notion d’hydrochimie et de géochimie
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’ensembles
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 »
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).
L’hydrogéochimie étudie donc les interactions entre l’eau et le sol ou le soussol. Ce terme est approprié pour décrire la chimie des eaux continentales (dont
les eaux souterraines).
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Minéralisation des eaux souterraines
Origine de la minéralisation des ESO
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 se charge en divers éléments qui vont influer sur sa qualité.
Certains de ces éléments sont naturellement présents dans le sol, et 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.
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Minéralisation des eaux souterraines
Mécanismes de base
REACTIONS 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.
PRECIPITAION
Réaction par laquelle un corps en solution se sépare de son solvant pour
formé un précipité solide.
REACTIONS D’OXYDO-REDUCTION
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 ».
REACTIONS D’ECHANGES D’IONS
Remplacement stœchiométrique des ions sur une surface de charge fixe
par des ions de la solution
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Minéralisation des eaux souterraines
Paramètres influençant la chimie de l’eau souterraines
 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.
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Paramètres de « caractérisation »
Principaux paramètres de qualité
 Éléments majeurs (ions majeurs)
 Cations : calcium (Ca++), magnésium (Mg++), sodium (Na+), potassium (K+)
 Anions : carbonates (HCO3-, CO3- -), chlorures (Cl -), sulfates (SO4- -), nitrates
(NO3-)
 Eléments traces
Contrairement au 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).
7
Paramètres de « caractérisation »
Principaux paramètres de qualité
 Température (en degrés Celsius °C)
échelle répandue dans laquelle la glace (formée d'eau) fond à 0 °C et l'eau bout
à environ 100 °C dans les conditions standards de pression.
 pH
Mesure de l’acidité de l’eau, CAD la concentration en ions hydrogène (H+).
L’échelle de pH s’étend de 0 (très acide) à 14 (très basique), la valeur
médiane correspond à une solution neutre à 25 °C.
pH = -log[H+]
 Alcalinité
Représente la capacité de l'eau à neutraliser des acides. L’alcalinité de l’eau est
aussi appelée dureté carbonatée, TAC (Titre Alcalimétrique Complet) ou
pouvoir tampon. Cette propriété dépend entre autres de la concentration en
carbonate, bicarbonate et hydroxydes de l’eau.
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Paramètres de « caractérisation »
Principaux paramètres de qualité
 Conductivité électrique de l’eau (EC)
La conductivité électrique de l’eau est l’aptitude d’une eau à laisser les charges
électriques se déplacer librement, autrement dit à permettre le passage du
courant électrique. Plus une eau est minéralisée, mieux le courant circule et
plus sa conductivité est élevée. La conductivité électrique s’exprime en micro
Siemens / cm noté µS/cm.
Valeurs courantes de conductivités électriques
Conductimètre (source
BRGM Guadeloupe)
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Paramètres de « caractérisation »
Principaux paramètres de qualité
 Potentiel redox (Eh)
grandeur empirique exprimée en volt (V) et notée E. Ce potentiel est exprimé par
rapport à une référence, souvent mesurée par une électrode normale à
hydrogène (ENH) , d'où l'unité V/ENH. Cette mesure est appliquée aux
couples d'oxydo-réduction pour prévoir la réactivité des espèces chimiques
entre elles. Par convention, le potentiel standard E° est mesuré par rapport
au couple proton/hydrogène (H+/ H2), de potentiel nul.
 Matières en suspension (ou MES)
particules
solides
très
fines
et
généralement visibles à l'œil nu,
théoriquement, ni solubilisées, ni à
l'état colloïdale. Elles déterminent la
turbidité de l'eau. Elles limitent la
pénétration de la lumière dans l'eau,
diminuent la teneur en oxygène
dissous
et
peuvent
nuire
au
développement de la vie aquatique.
Le fleuve Maroni (source, BRGM Guyane)
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Paramètres de « caractérisation »
Principaux paramètres de qualité
 Carbone organique total (COT)
Quantité de carbone lié dans un composant organique. Il est souvent utilisé
comme indicateur non spécifique de la qualité de l'eau.
 Dureté de l’eau (ou titre hydrométrique)
Indicateur de la minéralisation de l’eau. Elle est surtout liée aux ions calcium et
magnésium. La dureté s’exprime en ppm, w/v (ou mg/l) de CaCO3 ou en
degré français (symbole °f ou °fH).
 Oxygène dissous (OD)
Taux d’oxygène présent dans une eau et provenant essentiellement de
l’atmosphère et de l’activité photosynthétique (pour les eaux de rivières).
L’OD est fonction de la température de l'eau et de l'air, de la pression
atmosphérique. Les résultats sont exprimés soit en teneur en oxygène
dissous (mg/l), soit en pourcentage de saturation.
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Origine des 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 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.
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Origine des majeurs
 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)
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Origine des majeurs
 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.
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Origine des majeurs
 SO4 :
Aquifères contenant des évaporites : dissolution de gypse, anhydrite, (MgK-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.
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.
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Origine des majeurs
 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.
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Les faciès hydrochimiques
Généralités
Pour une eaux 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 fait 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.
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Les faciès hydrochimiques
Modes de représentation
 Le diagramme de stabler
Représentation de la contribution de chaque espèce ioniques à la somme
cationique ou à la somme anionique. Les unités sont des équivalent 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.
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Les faciès hydrochimiques
 Le diagramme de Stiff
Il permet d'obtenir une figure géométrique polygonale caractéristique
d'une famille d'eau donnée. Les données d'analyse des ions majeurs
sont reportées sur des axes horizontaux de part et d'autre de l'axe
vertical d'origine. Les cations sont représentés à gauche et les anions
à droite.
Ce diagramme fait des représentations individuelles de faciès chimique
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Les faciès hydrochimiques
 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.
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 adaptée pour étudier
l’évolution, dans le temps, du faciès des eaux.
20
Les faciès hydrochimiques
 Le diagramme de Piper
Bicarbonaté calcique
100
Bicarbonaté sodique
80
80
Bicarbonaté magnésien
60
Sulfaté calcique
Chloruré sodique
60
40
40
20
20
0
0
100
CO
3
40
20
80
0
80
10
0
100
40
60
60
20
60
40
4
40
SO
+K
60
80
+H
20
20
Na
Mg
80
CO
3
0
100
80
60
40
Ca
20
0
0
100
0
20
40
60
80
Cl + NO3
21
100
Les faciès hydrochimiques
 Le diagramme de Schoëller Berkaloff
Il permet de représenter le faciès chimique de plusieurs eaux à la fois.
La concentration de chaque éléments chimiques est figurée par une
ligne verticale en échelle logarithmique. Une ligne brisé est formée en
reliant tous les points figurant les différents éléments chimiques.
Les concentrations sont exprimées en en mg/l ou meq/l.
22
Les faciès hydrochimiques
 Le diagramme de Schoëller Berkaloff
23
Les faciès hydrochimiques
Evaporites
10000
8000
50
6000
%
Seine
(Paris)
2000
30
%
Calcaires et
dolomies
4000
80 10
% 0%
 Diagrammes de corrélation (ou de dispersion)
Roches détritiques
carbonatées
Le diagramme de corrélation permet
d'illustrer la relation entre deux
phénomènes variables et observer
l'influence de l'une sur l'autre.
1000
Le calcul et le tracé de la droite de
régression est très utile pour prévoir la
valeur de Y en fonction de X.
600
Schistes
Argiles et grès
feldspathiques
400
2+
Ca (!eq/l)
800
Roches
volcaniques
10
%
20
%
200
% de Ca
100
En hydrochimie, il permet de définir des
pôles
géologiques
d’appartenance
d’une eau.
80
60
Péridotites
40
Sables
et grès
quartzeux
20
Granites, gneiss
micaschistes
10
50
100
200
500
1000
2000
5000
10000
!+ (!eq/l)
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Réseau de surveillance en Guadeloupe
Réseau de surveillance de l’état qualitatif des MESO de Guadeloupe
 5 masses d’eau souterraines surveillées
 2 campagnes annuelles
 Analyse de paramètres principaux + liste
de molécules phytosanitaires adaptée au
contexte local (soit 60 molécules)
Réseau de surveillance en Guadeloupe
Réseau de surveillance de l’état qualitatif des MESO de Guadeloupe
paramètres de l’analyse type « régulière »
analyses confiées à des
laboratoires agréés
Réseau de surveillance en Guadeloupe
Mise à disposition des données acquises
ADES est le portail national d’Accès aux Données sur les Eaux Souterraines qui
rassemble sur un site internet public - http://www.ades.eaufrance.fr - des données
quantitatives et qualitatives relatives aux eaux souterraines issues de différentes
bases de données.
outil privilégié pour répondre aux enjeux locaux de la gestion des eaux
souterraines et à ceux de la Directive Cadre Européenne sur l’Eau.
ADES réunit les données de nombreux partenaires : Agences de l’Eau, Directions
Régionales de l’Environnement, de l’Aménagement et du Logement, Les Agences
Régionales de Santé (données sur les eaux souterraines brutes captées pour la
production d’eau potable uniquement), les collectivités territoriales (conseils
généraux, régionaux, syndicats de gestion d’aquifères, communautés de
communes, parcs naturels), les autres organismes chargés de missions de
service public.
Réalisation de prélèvements d’eau
souterraine
 Phases d’une campagne de PLV
Prélèvement : action qui consiste à extraire un certain volume d’une masse d’eau
Echantillonnage : action qui consiste à prélever une partie, considérée comme
représentative, d'une masse d'eau en vue de l'examen de diverses caractéristiques
définies.
Envoi des
échantillons
d’eau dans un
laboratoire
d’analyses
Photos terrain – pompe pour forage/puits et opération d’échantillonnage
(source BRGM Guadeloupe)
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Réalisation de prélèvements d’eau
souterraine
 Représentativité de la mesure
Problématiques :
-choix d’un point d’eau représentatif
-choix de la période de prélèvement
-impact du prélèvement sur le milieu naturel
-instabilité de l’état chimique d’un échantillon dans le temps
-augmentation de l’incertitude sur la mesure à chaque étapes de la chaîne analytique
action qui consiste à extraire un certain volume d’une masse d’eau
Solutions :
-réalisation d’un plan de prélèvement au préalable pour accéder à une eau
représentative de son milieu souterrain
-faire un échantillonnage en respectant scrupuleusement les préconisations
(normes et textes de référence), ce pour chaque type de paramètres
-faire de mesures « in situ » en lecture directe (pH, température, conductivité)
-appliquer une démarche qualité stricte pour la conservation des échantillons en
entre le prélèvement et l’analyse
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Fond géochimique
On entend par fond géochimique des eaux souterraines, les concentrations en
éléments chimiques (majeurs et traces) dans les eaux attribuables uniquement à une
origine naturelle.
éléments majeurs fréquemment
recherchés : calcium, magnésium,
sodium,
potassium,
chlorures,
sulfates et bicarbonates;
traces : arsenic, baryum, bore, fluor,
cadmium, chrome, mercure, cuivre,
nickel,
plomb,
zinc,
antimoine,
sélénium, aluminium, argent, fer,
manganèse,
cadmium,
nickel,
mercure et plomb.
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Fond géochimique
En Guadeloupe : fond géochimique variable selon le contexte géologique
Basse-Terre :
•dôme de la Soufrière, fond géochimique élevé
pour les éléments calcium, magnésium et sodium
•Al, fe en Mn
Grande-Terre et Marie-Galante
•éléments calcium, magnésium, sodium et
chlorures et sulfates
Désirade
•calcium, magnésium, sodium, potassium et
les ions chlorures et sulfates
BRGM/RP-55709-FR
Juin 2008 - Brenot A., Allier D., Dumon A.
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Pratiques anthropiques et impacts sur le
milieu naturel
Tout apport de substances indésirables dans l’eau causée par les activités humaines
est considéré comme une pollution. Ces substances sont susceptibles de s’infiltrer
depuis le sol jusque dans la nappe souterraine.
Activités anthropiques potentiellement contaminantes :
agriculture : utilisation de produits phytosanitaires, élevage intensif d’animaux (composés
azotés en excès) ;
industrie : eaux « résiduaires » pouvant être nocives  traitement préalable avant rejet pour
limiter les impacts sur le milieu naturel. D’anciens sites industriels, même s’ils ne sont plus en
activité, peuvent demeurer des sources de contamination ;
activités urbaines : usages domestiques de l’eau (eaux ménagères, WC etc.) générant des
eaux usées  méthodes d’assainissement (stations d’épuration, assainissement individuel) +
stockage des déchets (centre d’enfouissement) et décharges sauvages constituant une autre
voie de contamination du milieu souterrain + eaux pluviales, par ruissellement puis
infiltration, et transportant des substances toxiques diverses (huiles de vidange, acides,
métaux lourds etc.) ;
surexploitation de la ressource en eau : responsable de la diminution de la ressource en eau
disponible dans les aquifères mais également de sa pollution. Un pompage excessif en zone
côtière peut entrainer une salinisation de la ressource en eau douce.
32
Typologie des pollutions
Typologie et origine de la pollution des eaux souterraines (sources : BRGM)
33
Problématiques locales
Contamination aux organochlorés en sud Basse-Terre
Paramètres « à risque » en Guadeloupe,
les pesticides…
De façon préliminaire, la masse d’eau du
Sud Basse-Terre (FRIG003) est classée en
mauvais état au titre de la Directive Cadre
sur l’Eau (DCE) :
 Pollution aux pesticides organochlorés
(dépassement de la norme de qualité, soit
0,1 µg/L / substance active), notamment la
chlordécone
34
Problématiques locales
Biseau salé
En raison du contexte insulaire de la Guadeloupe, les eaux souterraines de
Guadeloupe présentent une vulnérabilité prononcée à l’intrusion d’eau marine
dans les aquifères.
le milieu souterrain présente une zone de contact entre l’eau douce et l’eau de
mer : on parle de l’interface eau douce – eau salée. L’eau souterraine, douce et
de densité moindre que l’eau de mer ((1 contre 1,025) forme une lentille qui «
flotte » au-dessus de l’eau salée marine selon une relation d’équilibre définie par
Ghyben-Herzberg.
Relation de Ghyben-Herzberg
H = 40 x h
H = profondeur de l’interface eau
douce / eau salée)
h = altitude du toit de la nappe
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Problématiques locales
Biseau salé, influence d’un pompage excessif
En raison du contexte insulaire de la Guadeloupe, les eaux souterraines de
Guadeloupe présentent une vulnérabilité prononcée à l’intrusion d’eau marine dans
les aquifères.
schématisation de l’intrusion saline par pompage dans un aquifère côtier (source, d’après
http://www.ozcoasts.gov.au, modifiée)
Les indicateurs de ce type de pollution sont : la conductivité électrique de l’eau
au-delà d’une certaine valeur (1000 µS/cm), les teneurs anormales en ions
chlorure Cl- et sodium Na+ dans les eaux issues des captages.
36
MERCI DE VOTRE ATTENTION
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