Application conjointe des outils géophysique (RMP) et géochimique à l’étude de fonctionnement hydrique du BV du Strengbach A. Legchenko 1, J-F. Girard.

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1 Application conjointe des outils géophysique (RMP) et géochimique à l’étude de fonctionnement hydrique du BV du Strengbach A. Legchenko 1, J-F. Girard 2 et M-C. Pierret 3 1 IRD / LTHE, Grenoble; 2 IPGS – UMR7516 CNRS/UdS, Strasbourg; 3 LHyGeS UMR7517 CNRS/UdS, Strasbourg. References Legchenko, A., and Valla, P., 2002, A review of the basic principles for proton magnetic resonance sounding measurements: Journal of Applied Geophysics, 50, 3-19, http://dx.doi.org/10.1016/S0926-9851(02)00127-1. Legchenko A., 2013, Magnetic resonance imaging for groundwater, Wiley-ISTE, ISBN: 978-1-84821-568-9, 158 p. Masson F., Viville D., Pierret M.C., Mouyen M., Hecker L., Chabaux F. 2012. Time-lapse microgravity study of the Strengbach catchment (Vosges mountains, France). C.R. Geoscience 344, 357-365 Viville D., Chabaux F., Stille P., Pierret M.C., Gangloff S., 2013. Erosion and weathering fuxes in granitic basins: The example of the Strengbach catchment (Vosges massif, eastern France). Catena, 92, 122-129. Pierret M.C., Stille P., Prunier J., Viville D. and Chabaux F., 2014. Chemical and U-Sr isotopic variations in stream and source waters of the Strengbach watershed (Vosges Mountains; France). Hydrology and Earth System Sciences. 18, 3969-3985 Remerciements : M. Dumont, M. Boucher, D. Viville, S. Benarioumlil, D. Sultana Introduction En général, les aquifères de socle présentent une forte hétérogénéité spatiale et une faible capacité de stockage d’eau souterraine, ce qui rend difficile la gestion durable de la ressource en eau. Dans ce contexte complexe, l’utilisation des méthodes géophysiques non destructives sont intéressantes pour pouvoir caractériser et contraindre les processus de recharge et de stockage de l’eau dans ces bassins versants. Cette question est d’autant plus critique dans les zones de montagnes où ces processus contraignent les ressources en eau potable disponibles. Par ailleurs dans le contexte du changement climatique et de changement des régimes pluviométriques, comprendre le fonctionnement hydrodynamique est fondamental si l’on veut pouvoir modéliser et prévoir leurs impacts sur la disponibilité des ressources en eau. La méthode de sondage par résonance magnétique des protons (RMP) est une des méthodes géophysiques récentes qui a déjà démontré sa performance dans différents contextes géologiques. La méthode RMP s’appuie sur le phénomène de résonance magnétique nucléaire (RMN). Le principe est de créer un champ magnétique oscillant qui va perturber les spins des atomes d’hydrogène dans la molécule d’eau. Ces sondages ont pour objectif de déterminer les teneurs en eau et les porosités du milieu afin de cartographier les stocks d’eau et les propriétés hydrodynamiques de l’aquifère en 3D. Cette technique encore peu répandue est proposée par le Laboratoire d’étude des Transferts en Hydrologie et Environnement de Grenoble. Pour évaluer l’apport de la méthode RMP à la modélisation hydrogéologique en contexte de socle on a choisi le bassin versant granitique du Strengbach, situé dans le massif des Vosges (France, site de l’Observatoire Hydro-Géochimique de l’Environnement OHGE), qui bénéficie d’un suivi climatique, géochimique et hydrologique depuis 25 ans. Ce site est un écosystème forestier de 80 ha, entre 800 et 110 m d’altitude, en contexte granitique, sur lequel 4 sources sont captées et servent à l’alimentation en eau potable. Le fonctionnement hydrologique du site est encore mal contraint car les systèmes aquifères en zones de socles sont complexes. Afin d’améliorer nos connaissances hydrologiques divers projets ont été développés récemment combinant des forages profonds, des études géophysiques: gravimétrie (Masson et al., 2012), sondages électriques, georadar, RMP, des études géochimiques (Viville et al., 2012, Pierret et al., 2014) et des développements numériques. Ces travaux ont pour mission d’aboutir à un modèle géométrique 3D avec une spatialisation des paramètres géophysiques et hydrologiques du site puis à une modélisation hydro puis hydrogéochimique 3D du bassin. Ils s’intègrent également dans le projet CRITEX et dans le projet ANR HYDROCRIZSTO. L’originalité de notre projet réside sur le développement d’une nouvelle méthodologie d’application de mesures RMP en contexte de bassin versant forestier avec une topographie prononcée. En effet, les mesures RMP et l’hydrogéophysique en général ont jusqu’à maintenant été essentiellement appliquées dans des environnements « plus simples » : peu de reliefs et/ou peu de végétations. Cette étude a été réalisée avec le matériel RMP commercialisé par IRIS Instruments (Orléans, France). Un exemplaire de ce matériel est désormais disponible dans le cadre du projet CRITEX. Method Pour effectuer le sondage RMP, une antenne circulaire ou carrée est déployée sur le sol (fig 1). L’antenne peut aussi être en forme de « huit » afin d’augmenter le rapport du signal sur bruit (S/B). Le signal mesuré E(t) après la fin de l’impulsion oscille à la fréquence de Larmor et décroit exponentiellement avec le temps (fig 2). La séquence de mesure est répétée en augmentant progressivement le courant dans la boucle ce qui permet d’augmenter progressivement la profondeur d’investigation. L’inversion en 1D des mesures fournit la distribution verticale de la teneur en eau (w(z)) et du temps de décroissance (T2*(z)). La teneur en eau montre la quantité d’eau dans le sous-sol et le temps de décroissance est lié à la taille des pores : les temps plus longs correspondent à des pores plus larges ou une fracturation plus importante. Travaux réalisés 23 sites ont été prospectés avec la méthode RMP pour un total de 32 sondages (fig 3). La majorité des sites a été étudiée avec une boucle en forme de « huit » limitant ainsi la profondeur d’investigation à 40 m environ. Les mesures ont été réalisées avec un appareil NUMISplus (fig 4). Résultats La figure 5 montre l’amplitude du signal mesuré en fonction du moment d’impulsion. Le niveau de bruit (croix bleues) étant inférieur au signal confirme la présence d’eau. L’inversion des mesures montre la teneur en eau élevée dans les premiers 10 m ce qui correspond à la zone d’altération et constitue le stock superficiel. Une carte d’épaisseur de la zone d’altération dérivée des sondages RMP est présentée sur la fig. 6. Pour limiter les incertitudes liées à l’inversion, il est commun de travailler avec la lame d’eau en cm (le produit de la teneur en eau RMP par l’épaisseur). Cela permet de représenter le stock d’eau présent dans une épaisseur de sol et ainsi, de visualiser les zones d’importances hydrogéologiques. La carte des stocks d’eau (fig 7) montre deux zones de stock important (>35 cm) : la première autour des sondages 05, 116 et 122 (source du Strengbach), la seconde en aval au sondage 09 (zone humide). Elles correspondent aux secteurs d’accumulation d’alluvions. De plus, il existe un fort contraste entre le versant Nord et le versant Sud. Les granites du versant Nord sont caractérisés par une forte fracturation et altération dû aux épisodes hydrothermaux. Il est donc logique d’obtenir un stock plus important sur ce versant. Figure 1. Dispositif de mesures RMP. Figure 2. Séquence de mesure RMP. Figure 3. Positions des boucles RMP dans le BV du Strengbach. Figure 4. Dispositif de mesure sur place. Figure 5. Exemple d’amplitude du signal mesuré (gauche) et de l’inversion correspondante (droite). Figure 6. Carte de l’épaisseur de la zone altérée dérivée de la RMP Figure 7. Spatialisation de la lame d'eau dans le « stock superficiel ». Figure 8. Délimitation des zones du modèle conceptuel Discussion Les résultats de l’étude géophysique RMP permettent de construire un modèle conceptuel du fonctionnement hydrogéologique de la partie superficielle du bassin versant :. Le versant Nord est constitué des granites les plus fissurés par les évènements hydrothermaux (Pierret et al.,2014). L’altération y est donc plus forte donnant lieu à un horizon de saprolites avec une bonne teneur en eau et transmissivité. Leur épaisseur, estimée reste néanmoins faible (< 10m) à cause de la forte pente. Le stock estimé est important (entre 20 à 35 cm), il permet un écoulement permanent tout au long de l’année. Les Gneiss présents sur la crête peuvent atteindre une profondeur de 40m et l’horizon altéré présente une épaisseur de 10 à 12 mètres. Concernant les caractéristiques hydrodynamiques, le gneiss étant riche en argile, son altérite l’est aussi. Le stock contenu dans cette zone pourra être important mais avec des vitesses de circulation lentes vers le granite du versant Nord. Il est possible que le gneiss joue un rôle de stock se vidant lentement durant la saison sèche. La zone de colluvions située dans une zone plus plane présenterait une zone d’altération estimée à environ 20 mètres. Deux hypothèses expliqueraient cette accumulation d’alluvions. La première propose le dépôt d’alluvions allochtones par un ancien névé. La seconde tend vers l’accumulation logique des sédiments autochtones provenant des zones en pente. Cette zone possède un stock d’eau important (lame d’eau estimée jusqu’à 50 cm) avec de bonnes transmissivités. Le versant Sud est moins fissuré et altéré que le versant Nord, où l’eau s’infiltre moins facilement. Il en résulte un ruissellement plus important et un stock estimé faible (< 15 cm). La zone humide alimentée par l’important ruissellement présente un stock d’eau estimé important (lame d’eau > 30 cm) et une bonne transmissivité. Il s’agit vraisemblablement d’une zone d’accumulation des sédiments provenant de l’érosion. Conclusions Pour cartographier les stocks d’eau et les propriétés hydrodynamiques de l’aquifère, 32 sondages RMP ont été réalisés durant deux campagnes de terrain. Ces sondages ont été complétés par des mesures hydrologiques et géochimiques. Les résultats ont permis d’estimer (1) l’épaisseur du principal réservoir que constitue l’horizon altéré (8 - 24 m) et (2) la quantité d’eau dans cet horizon (une colonne d’eau de 10 - 54 cm). Les contrastes mis en évidence par la méthode RMP ont conduit à un schéma hydrogéologique conceptuel comprenant 5 zones avec des propriétés hydrogéologiques distinctes. Ce schéma va contribuer à établir un modèle hydrodynamique à base physique dans la perspective d’étudier l’évolution de la ressource en eau en fonction des changements climatiques et anthropiques. Une comparaison de ce schéma hydrogéologique conceptuel avec des résultats de l’étude géochimique des eaux de sources et de ruisseaux ont mis en évidence une bonne correspondance et complémentarité entre ces méthodes.