Cours d’hydrogéologie 1er année de master   Faculté des sciences de tours

I) Caractéristiques d’un aquifère 1) Définition Aquifère - Aquiclude - Aquifuge

Zone non saturée : Zone où la totalité de la porosité n’est pas remplie d’eau. La circulation de l’eau se fait principalement verticalement. Zone saturée : Zone où la totalité de la porosité est remplie d’eau. La circulation de l’eau se fait principalement horizontalement dans la direction où le gradient hydraulique est le plus fort. Surface piézométrique : Lieu des points où la pression atmosphérique équilibre la charge hydraulique de l’eau. Frange capillaire : Zone où l’eau remonte par capillarité : Quelques mm dans des galets, Quelques dizaines de mètres dans la craie, 100 mètres dans l’argile.

2) Recharge

3) Porosité La porosité représente l’aptitude d’une roche à pouvoir contenir de l’eau Il existe différent type de porosité : - Porosité d’interstice (sable) - Porosité de fissure (granite) - Porosité de karst (calcaire, dolomie, évaporites) - Porosité totale () = volume des vides / volume de l’échantillon - Porosité efficace = volume des vides parcourus par de l’eau / volume de l’échantillon

Exemple de valeur de porosité totale   Porosité totale Granite et gneiss non altérés 0,02 à 1,8 % Quartzites 0,8 % Schistes, ardoises, micaschiste 0,5 à 7,5 % Calcaires, dolomies primaires 0,5 à 12,5 % Dolomie secondaire 10 à 30 % Craie 8 à 37 % Grès Porosité totale () 3,5 à 38 % Tufs volcaniques 30 à 40 % Sables 15 à 48 % Argiles 44 à 53 % Argiles gonflantes, vases Jusqu’à 90 % Sols de cultures labourés 45 à 65 %

Porosité totale en fonction de la granulométrie

Porosité efficace ou cinématique (eau adsorbée / eau liée / eau libre) (c) = volume des vides parcourus par de l’eau / volume de l’échantillon   Elle est fonction de la taille des vides : faible pour une argile , forte pour un gravier Elle peut être déterminée in situ par traçage.

eau adsorbée / eau liée / eau libre

5) Saturation volumique (s) 4) Teneur en eau = volume d’eau / volume de l’échantillon 0<<porosité total    5) Saturation volumique (s) s=volume d’eau contenue dans l’échantillon / volume totale des pores 0<s<1

6) Perméabilité (K) La perméabilité représente l’aptitude d’une roche à se laisser traverser par un fluide.  K à la dimension d’une vitesse et s’exprime en m/s

7) Transmissivité T C’est une autre grandeur physique qui caractérise l’aptitude d’un aquifère à laisser circuler de l’eau (comme K). Calculable à partir de l’exploitation d’un pompage de longue durée. T=K x e Définition exacte = c’est le débit qui s’écoule par unité de largeur de la zone saturée d’un aquifère continu (mesuré selon une direction orthogonale à celle de l’écoulement), et par unité de gradient hydraulique.

8) Coefficient d’emmagasinement S (pas d’unité ) Il représente le volume d’eau exploitable en proportion du volume de l’aquifère. Pour une nappe libre : S  porosité efficace = 1 à 15 % Pour une nappe captive : S  porosité efficace < 1 % Il représente l’aptitude de l’eau d’une nappe captive à se décompresser.

II) Classification des aquifères Volume Élémentaire Représentatif (V.E.R.) Quelques centimètres pour un grès Quelques décamètres pour un granite ou un calcaire fracturé 2) Aquifère sédimentaire à porosité d’interstice 3) Aquifère sédimentaire à porosité de fracture ou karstifié 4) Aquifère de roche plutonique à porosité de fracture

III) Particularités des aquifères karstiques L’aquifère karstique est le seul type d’aquifère où c’est la circulation d’eaux dans la formation géologique qui façonne les vides de l’aquifère et induit des caractéristiques aquifères spécifiques. Phénomène rapide à l’échelle des temps géologiques : Quelques milliers à quelques dizaines d’années Durée de fonctionnement souvent assez limitée.

1) Processus de karstification a) Les facteurs physiques (géologiques) de la karstification Solubilité de la roche La densité de fracturation de la roche Une dureté homogène La proximité d'une couverture non calcaire 17

b) Les facteurs chimiques de la karstification L'érosion chimique des calcaires par l'eau provient du C02 dissout qui est déterminé quant à lui par : la couverture végétale (forêts tropicales humides ou forêts humides de basse altitude en milieu tempéré), la circulation lente en surface de l'eau qui peut alors se charger en C02 pédologique. 18

c) Les facteurs géographique de la karstification L'érosion mécanique des calcaires par l'eau dépend donc de : La pluviométrie (milieu tropical humide, montagnes), La topographie : dénivellation et concentration des débits par les bassins versants. 19 19

2) Fonctionnement et alimentation d’un karst

3) Étude du fonctionnement de système karstique Les études utilisées habituellement pour l’étude des milieux poreux homogènes ne sont généralement pas adaptées pour étudier le karst (loi de Darcy non applicable : tests de pompage …) Délimitation du système (unaire ou binaire) Résurgence  exsurgence Piézométrie (moins fiable que pour un milieu homogène  plus de points de mesure) Étude des débits de l’exutoire Étude des variations physico-chimiques de l’exutoire Étude des vitesses de circulation (souvent rapide à très rapide : 100 à 500 m/h) 22

la circulation secondaire Pluie Mise en charge Circulations rapides (drains pricipaux) Remplacent la circulation secondaire Modifications Physico-chimiques (généralement dans le sens Moins de minéralisation)

IV) La technique de traçage 1) Généralités 2) Application dans le karst : exemple de la Touvre (Angoulême) 3) Application pour le calcul de la porosité efficace en milieu poreux homogène

1) Généralités Traceurs artificiels : Traceur = molécule absente ou très faiblement présente que l’on peut détecter en très faible concentration et avec un coût d’analyse faible Et non toxique a) Traceurs disponibles : Traceurs salins : Anions : Cl-, I-, Cations : Lithium Traceurs biologiques : Bactériophages Traceurs radioactifs : J131, Na24, Ca47 Traceurs fluorescents : Uranine, éosine, sulforhodamine G et B, naphtionate, …(Les rhodamines B et WT sont à éviter pour des problèmes de toxicité) 26

b) Principe d’analyse des traceurs fluorescents : Les traceurs fluorescents sont des molécules organiques qui ont la propriété d’absorber de l’énergie sous forme de lumière et d’en réémettre par excitation de leur molécule. La lumière est réémise à une longueur d’onde plus grande que la lumière absorbée (20 à 40 nm en général). Les longeurs d’excitation et d’émission sont propre à chaque molécule. D’où la possibilité d’en utiliser plusieurs simultanément. 27

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c) Caractéristiques des différents traceurs fluorescents : 29

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Difficultés d’utilisation de certains traceurs : -Adsorption sur les argiles (faible taux de restitution, retard de restitution), (rhodamine), Analyse difficile en présence de matière organique, (naphtionate, amino G acide, azurant optiques, …) Sensibilité à la lumière (éosine), Oxydation par le chlore (uranine), Baisse de fluorescence en milieu acide (uranine). Échantillonnage par fluocapteur à éviter ! (pas de courbe de restitution et identification très discutable) 31

2) Application dans le karst : Exemple de la Touvre (Angoulème) Quatres traceurs différents utilisés : - 10 kg d’uranine, - 20 kg de Naphtionate, - 25 l (8,3 kg) de Jaune duasyn, - 10 kg de Sulpho -rhodamine G. 32

Dispositif de surveillance à la source du Bouillant 33

Dispositif de surveillance à la source du Bouillant 34

Injection d’uranine sur le Bandiat à Feuillade, le 29 septembre 2008 à 13 h 45 35