Les aquifères de socle (Bretagne) Aurore RÉFLOCH Jean-Raynald de DREUZY, Laurent LONGUEVERGNE

2) Que connaît-on des aquifères de socle? 1) Le contexte breton 2) Que connaît-on des aquifères de socle? 3) Quelles sont les données disponibles sur les aquifères bretons? 4) Quels concepts de circulation avec peu de données hydrogéologiques?

Climat : gradient Ouest-Est et littoral/intérieur des terres 1) Le contexte breton Bretagne : 3 197 975 habitants (2010) 27 208 km² Climat : gradient Ouest-Est et littoral/intérieur des terres

1) Le contexte breton Bretagne: région de socle (comme en Afrique centrale, Amérique, Australie, Inde, …). Plus de 20% de la surface du globe Occurrences principales des aquifères de socle cristallin dans le monde, d’après Singhal et Gupta (1999).

Carte géologique de Bretagne (géoportail) 1) Le contexte breton Roches plutoniques Issues du magma Exemple: Granite Roches métamorphiques Modification minéralogique sous l’effet de conditions de température et de pression spécifiques Exemple: Schiste, gneiss Carte géologique de Bretagne (géoportail)

Ensembles structuraux du Massif Armoricain d’après André, 2002 1) Le contexte breton Ensembles structuraux du Massif Armoricain d’après André, 2002

2) Que connaît-on des aquifères bretons? Le sol/sous-sol en milieu de socle décrit par le modèle d’altération : Idealized single phase weathering paleoprofile in a hard-rock, crosscut by the current topography (Wyns et al., 2004).

2) Que connaît-on des aquifères bretons? 1970 : ressources considérées comme inexistantes en Bretagne. 1976: développement des outils  foration plus profonde Eau trouvée dans la porosité de la fracturation Multiplication du nombre de forages Recensement et localisation des 33 000 forages bretons existants en 2009

2) Que connaît-on des aquifères bretons? Distinction entre : Eaux souterraines superficielles (<10m) Provenance des altérites (1) Rôle réservoir Eaux souterraines profondes (de 50 à 200m) Provenance des fractures (2) Rôle conducteur (1) (2)

2) Que connaît-on des aquifères bretons? Hétérogénéité : chemin préférentiel d’écoulement (joue sur les temps de transfert: écoulement non homogène) Variabilité de l’hétérogénéité du fait de : Lithologies et fractures Echelle d’observation (échelle du m : plus de chance d’avoir une fracture qu’à l’échelle du cm)

2) Que connaît-on des aquifères bretons? Quelques chiffres 20% seulement du volume d’eau distribué provient de la ressource souterraine (échelle nationale: 60%) 79% des prélèvements AEP (Alimentation en Eau Potable) sont effectués dans le socle cristallin L’essentiel des forages bretons ont un débit d’exploitation < à 10 m3/h Classes de débit des 12122 forages étudiés dans le programme SILURES Répartition des captages d’eau potable par type de roche aquifère (Panaget, 2004)

3) Quelles sont les données disponibles sur les aquifères bretons? Sites ponctuels bien connus (couverture non exhaustive) Ploemeur (Morbihan) Saint Brice en Coglès (Ille-et-Vilaine) Modèles hydrogéologiques; projet Climawat (Ploemeur: datation des eaux par analyses des CFC et du SF6; mesures chimiques; scénarios de changement climatique) Modèle hydrogéologique du site de Saint Brice en Coglès (Thèse C. Rocques)

3) Quelles sont les données disponibles sur les aquifères bretons? SILURES Bretagne (BRGM) : Système d’Information pour la Localisation et l’Utilisation des Ressources en Eaux Souterraines Géométrie des réservoirs (épaisseur altérites, horizon fissuré, …) Epaisseur de l’horizon fissuré Epaisseur des altérites

3) Quelles sont les données disponibles sur les aquifères bretons? SILURES Bretagne (BRGM) : Productivité des forages (débit de foration) Débit de l’horizon fissuré utile (m3/h)

3) Quelles sont les données disponibles sur les aquifères bretons? SILURES Bretagne (BRGM) : Contribution globale des eaux souterraines aux rivières Contribution globale annuelle des eaux souterraines à l’alimentation des rivières

3) Quelles sont les données disponibles sur les aquifères bretons? SILURES Bretagne (BRGM) : Cartographie de l’inertie du milieu souterrain Classement de l’inertie du milieu physique souterrain (idée du temps de réponse)

3) Quelles sont les données disponibles sur les aquifères bretons? SILURES Suivi (BRGM) : 52 piézomètres (chroniques de niveau piézométrique)

3) Quelles sont les données disponibles sur les aquifères bretons? Données débit (DREAL) : suivi sur 70 BV bretons couverture  50% de la Bretagne (BV côtiers: pas de stations de jaugeage) Débits des cours d’eau d’Août 2012 par rapport à la moyenne interannuelle d’Août

3) Quelles sont les données disponibles sur les aquifères bretons? Autres données: Infoterre (géologie, arrivées d’eau, …) Satellite GRACE (outil de gestion des ressources en eau, résolution de 400 km : informations sur les grands systèmes aquifères) Illustration du satellite GRACE (http://www.zeitnews.org)

4) Quels concepts de circulation avec peu de données hydrogéologiques? Un exemple: l’aquifère de Ploemeur Impact des zones de fracturation sur les ressources en eau profondes Contrôle topographique et organisation des circulations à grande échelle

Un exemple: l’aquifère de Ploemeur

Un exemple: l’aquifère de Ploemeur Some examples of fractured aquifers used for groundwater supply 22 Saint-Brice Ploemeur Saint-Brice Ploemeur

Site de Ploemeur Watershed of a few square kilometers used for water supply and with a clear exutory : the pumping site High groundwater flow velocities due to high pumping rate (1,1 106 m3/year since 1991)

Simulations numériques Modèles hydrogéologiques 3D complexes Méthodologie Simulations numériques Modèles hydrogéologiques 3D complexes Site de Plœmeur = support Complexité Données Très localisées, proches du puits de pompage Plœmeur

Modèles hydrogéologiques Micaschistes Granite de Guidel Faille N20 500 m Zone de contact Granite de Plœmeur 4 km 3 km

Modèles hydrogéologiques Paramètres Topographie R = 200 mm/an TCZ = 2 - 3 10-3 m2/s KMS = 10-8 – 5 10-6 m/s H = 180 – 280 m φ = 2 – 6% Données Charge hw Age CFC-12 Observations en surface Au puits de pompage

Equation de diffusivité Modèle d’écoulement Equation de diffusivité Flux 3D, permanent & pompage Qw Non confiné Recharge et surface libre non imposées Surface libre inconnue (himp -> R trop imp// Qimp->h himalaya) Détermination du champ de vitesse

Piézométrie

Information par la piézométrie Ø suintement : R à son potentiel & KMS >10-8 m/s Charge hw au puits de pompage: calibration TCZ

Information par les données d’âge CFC Age en CFC-12 : calibration H et φ

Impact des zones de fracturation sur les ressources en eau profondes

Aquifer productivity as a function of fault zone dip 3D groundwater flow simulation in steady-state (Estimation of Q for a fixed Dh) Parameters tested Geometry (angle, size of the system) Permeabilities of fracture zone, of the micaschists Leray, S., J. R. de Dreuzy, O. Bour, and E. Bresciani (2013), Numerical modeling of the productivity of vertical to shallowly dipping fractured zones in crystalline rocks, Journal of Hydrology, 481(0), 64-75.

Aquifer productivity as a function of fault zone dip (2D)

From 2D to 3D laterally bounded systems Example of piezometric maps High Tf, for low a Relatively high borehole yield L= 3,5 km Low Tf, a=5° Low borehole yield Leray et al., 2013

Productivity of 3D bounded systems L= 3,5 km Well productivity depends on the fault zone Transmissivity but also on the size and the dip of the fault zone Leray et al., 2013

The example of Ploemeur (Q=110 m3/h) Leray et al., 2013

Example of piezometric maps for laterally extended systems L= 140 km Low Tf, a=70° Low borehole yield High Tf, a=70° High borehole yield High Tf, a=90° Similar borehole yield Leray et al., 2013

Productivity of laterally extended systems L= 140 km Borehole yield is mainly controlled by fault zone Transmissivity Leray et al., 2013

CONTRÔLE TOPOGRAPHIQUE SUR L’ORGANISATION DES CIRCULATIONS À GRANDE ÉCHELLE

Contrôle topographique Organisation des circulations à grande échelle Relation structure topographique, volumes (3D) et temps de résidence (fonction de transfert du système) Modélisation à l’échelle d’une partie de la Bretagne Effet de la topographie et des interactions surface-subsurface sur les circulations Circulations régionales: distribution de temps exponentielle (volume/recharge) Circulations locales: distribution plus complexe, interaction importante avec la surface PostDoc Pascal Goderniaux (2011-2012) Goderniaux, P., Davy, P., Bresciani, E., de Dreuzy, J.-R. and Le Borgne, T., 2013. Partitioning a regional groundwater flow system into shallow local and deep regional flow compartments. Water Resources Research: in press.

. View of the effective draining cells in function of different recharge values (R).

Spatial distribution of groundwater pathway lengths (m) across the modeled area and according to different input recharge rates. Data are plotted for each particle starting point.

Contrôle topographique Organisation des circulations à grande échelle Relation structure topographique, volumes (3D) et temps de résidence (fonction de transfert du système) Visualization of volumes intercepted by particles with normalized transit times included in different intervals, and evolution as a function of the total recharge flux Modélisation à l’échelle d’une partie de la Bretagne Effet de la topographie et des interactions surface-subsurface sur les circulations Circulations régionales: distribution de temps exponentielle (volume/recharge) Circulations locales: distribution plus complexe, interaction importante avec la surface Probability Density Functions of transit times for a recharge of 300 mm/yr

Répartition/Compétition entre circulations superficielles et profondes

Synthetic configurations relief topo : de 0 à 685m (mean slope 8%)

Conclusions Constrains High localization of flow circulations in weathered zones and transmissive/accessible fractured zones Diversity of hydraulic effective aquifers from extended sub-vertical lineaments to sub-horizontal well-drained fracture zones Topographical induced repartition of slow/fast circulations Unknowns Impact of the weathered zone structure Hydraulic signatures of the different circulation patterns, correlation with avialable field data