CAPACITE AQUIFERE ET DEBIT DES PUITS

2.2.3.1 Introduction

Il est souvent difficile de prédire une présence d’eau souterraine dans un site particulier de roches dures du socle. Le potentiel de production d’eau souterraine dans de telles roches est

considéré en général comme faible, bien que la production d’eau puisse varier entre un taux assez bas (ou nul) jusqu’à des taux élevés et soutenus c’est-à-dire selon El]is, 1909 et Stewart, 1962 b,

supérieurs à 68 mVh. Une connaissance imcomplète et limitée de ces conditions géologiques, combinées à des débits d’eau souterraine de taux relativement élevés,a essentiellement entravé la prospection et la mise en valeur de l’eau à un prix rentable dans de telles roches.

La nécessité urgente d’obtenir une alimentation en eau même limitée (moins d’un gallon par minute ou 0,2 mVh) a provoqué la réalisation de forages au hasard, parfois améliorée par des

évaluations géologiques préliminaires. De nombreux forages ont été réalisés en maints endroits à sous- bassement de roches du socle et la grande quantité de données résultant de tels forages indique un large éventail de productivité de ces roches. Au Brésil par exemple, une proportion approximative de 63% du pays est constituée de soubassements de roches ignées et métamorphiques. Rebouças (1978) rapporte que 15 000 puits environ ont été forés dans des roches cristallines fracturées et 92% d’entre eux ont été considérés comme réussis. Nombre de ces puits sont en exploitation depuis plus de 30 ans. Le débit spécifique moyen des puits réussis est de 0,l m3/h par mètre de dépression, ce qui est en accord avec les investigations antérieures menées dans d’autres pays (voir figures 2.2.4.3 et

2.2.4.15). Une profondeur maxima de 60 mètres a été proposée comme une limite économique de forage.

Cette règle est suivie dans de nombreux pays.

2.2.3.2 Débits typiques de puits dans les roches dures du socle

Les débits typiques de puits dans des régions de roches dures du socle en Afrique, en Inde, en Corée et dans certaines parties de l’hémisphère occidental sont mentionnés dans les tableaux 2.2.3.1 et 2.2.3.2. Quand une production significative était rencontrée, les conditions géologiques (fractures, joints, failles, etc.) qui permettaient une telle productivité étaient considérées comme trop

complexes pour être évaluées rapidement et cette production était tout simplement estimée comme le fruit du hasard. L’impression générale était que cette productivité ne pouvait pas être prévue par suite de la complexité des conditions géologiques. Cependant, le genre d’investigations systématiques exposées dans le présent ouvrage démontre que I’historique régionale et locale de la structure des roches métamorphiques et ignées dans des régions sélectionnées, combinée avec des techniques variées d’études géophysiques et géochimiques, peut servir à identifier des zones perméables potentiellement capables d’une productivité importante d’eau souterraine.

Ces méthodes pourraient augmenter les chances de succès et par conséquent la rentabilité du coût de telsprogrammes.Les diversifications des recherches présentées dans cet ouvrage sont valables pour les vastes zones de la surface du globe reposant directement sur les roches dures du socle.

2.2.3.3 Type de fractures

Les roches non altérées ont en général une porosité inférieure à 1% (Davis et De Wiest, 1966) et souvent il s’agit d’interstices espacés ou inutiles. Leur perméabilité est de ce fait aussi bien

faible.

La fracturation, qu’elle soit associée aux déformations régionales comme présenté dans la section 2.1.2 ou aux altérations (section 2.1.3),peut créer une porosité et une perméabilité importantes dans ces roches. Elle est seule responsable de leur potentiel en eau souterraine. En se basant sur des études faites aux Etats-Unis, on a constaté que la fréquence des fractures présentes dans les roches cristallines diminue avec la profondeur (Davis et De Wiest, 1966; Davis et Turk, 1964; Landers et Turk, 1973 et Legrand, 1967). Cependant, des exploitations minières ont rencontré des flux importants d’eaux souterraines à des centaines de mètres sous la surface du sol, ce qui indique que certaines fractures atteignent de grandes profondeurs (Hurr et Richards, 1966; Snow, 1968 a, 1968 b;

Wahlstrom et Horback, 1962). Robinson (1976) propose la présence de deux zones: une zone active et une zone passive sous-jacente. C’est pourquoi deux types de fractures ont été associés dans les

programmes préalables d’évaluation de la productivité des eaux souterraines dans les roches ignées et métamorphiques: 1) les fractures en rapport avec l’altération et le soulagement des pressions et 2) les fractures en rapport avec la tectonique régionale. Marine (1966, 1967) a aussi constaté deux types de fractures dans les roches dures du socle de Georgie, c’est-à-dire les fractures ‘fines’ et les fractures ‘ouvertes’.

La direction du mouvement des eaux souterraines dans les fractures saturées est souvent difficile à établir par suite de la nature de leur ouverture et leur rapport éventuel avec le réseau de

fractures en général.

II est à souligner que les roches ignées et métamorphiques, qui ont une texture cristalline dure en affleurement, ne se prolongent pas toujours avec les mêmes caractéristiques en profondeur. Une variété de différences dans leur structure et leur composition apparaît en profondeur.

En général, ces différences sont associées à des traits structuraux tels que failles ou autres traits chimiques ou de contact qui peuvent apparaître entre deux unités rocheuses de composition différente.

Etant donné qu’une désintégration mécanique secondaire produite par des phénomènes tectoniques, des plans de diaclases horizontaux ou sub-horizontaux produits par un allègement de poids et la décomposition chimique produite par une modification diagénétique,

65

Tableau 2.2.3.1 Relevés de débits de puits dans les roches du socle de l’Afrique (Nations Unies, 1973)

centrafricaine quartzites 1967-79, 90% debitaient Bpartir

de la couche alter& au-dessus de la roche-mere

B6"i" 750-1.250 RBgion centrale Granite, gneiss, l-4

micaschistes

Ethiopie 1.000-2.000 Sidamo Granite, gneiss et faible Couches alter&s peu développes.

schistes Débit provenant des zones frac-

cambrien de schistes d'@paisseur repér& par sondages

base &lectriques (r&sistivite).

Maniema soubassement Precambrien 1-8 litres/seconde par mètre

Bas Congo 1-8 40-100

Zambie 500-1.500 Kalomo-Chomo Granite a1teré et gneiss 3 à 5.5 35 environ Veines de quartz g tête mince

à veines de quartz et (debit jusquO& 11 m3/h)

pegmatites

Munali Pass Schistes & biotites et 182

Tableau 2.2.3.2 Relevés de débits de puits dans les ruches du sacle del’hémisphère occidental, de I’lnde et de la Curée (d’après les Natians-Unies, 1973)

Pays Pluvioméerie ?rovince Types de Débit par Profondeur Remarques

moyenne (mm) ou région Roches puits (m3/h) du puits (III)

PiedmDnt dans schistes parfois 20 d'roaisseur. Eau contenant

les Etats du fréquents et plus généralement moins de 500mg/l.

4

1s

Espac&ent des intersections (en m5tres.j

Figure 2.2.3.1 Intersection de joints par une verticale, en fonction du pendage de ces joints (Karanth, 1974).

L’écartement horizontal entre les joints est de 1 mètre.

sont associées à de tels facteurs, le résultat peut aboutir à l’existence de zunes perméables allant de quelques centimètres jusqu’à quelques mètres d’épaisseur (Jahns, 1943; Legrand, 1949 et

1952; Reed et autres, 1963). Cependant, Lachenbruck (1961) indique que de nombreux joints ou fractures causés par des tensions à la surface ou près du sol disparaissent rapidement au fur et à mesure de la profondeur. Apparemment ceci est en rapport avec l’allègement de pression et cunstitue un phénumène de sub-surface auquel ont été liées la plupart des émergences aquifères dans les roches métamorphiques et ignées.

Dans un espace déterminé defract::res, la probabilité de l’intersection d’une fracture pendant le forage d’un puits décroît en mêmetemps que croît la magnitude d’inclinaison de cette fracture.

Elle atteint son maximum dans les ruches à fractures planes et son minimum avec des ruches à fractures verticales (Karanth, 1973). L’oppurtunité de recouper des fractures décroît rapidement quand leur inclinaison dépasse 70[’ (figure 2.2.3.1). Afin d’uptimiser le débit d’un puits, un furage idéal devrait s’effectuer à angle droit de la position du système principal de fractures dans la zone où la fréquence de fracturation est la plus élevée.

2.2.3.4 Effet de la fracturation sur la production d’eau souterraine

Afin d’évaluer l’effet de la fracturatiun de sub-surface sur la production d’eau suuterraine, un verra ci-dessous les relations avec la profondeur d’un certain nombre de types de ruches et de lieux aux Etats-Unis; les granodiorites ou les roches ignées qui leur sont associées dans la régiun de la Sierra Nevada en Californie; I’amphibulite et le granite d’après des tests d’injection au site de barrage d’Orraville et dans d’autres sites de Californie; et enfin pour des puits dans des roches

métamorphiques et ignées diverses en Californie(figures 2.2.3.2 et 2.2.3.6). Summers (1972) présente également des données similaires pour des puits dans une variété de roches sur une superficie de 15,5 km* dans la région de Rotschild dans le Wisconsin, variété qui comprend de la syénite néphéline, de la syénite quartzeuse, du granite, des gabbro-diorites, des ‘roches vertes’, de la felsite, des

schistes et des ryolithes (voir figures 2.2.37 et 2.2.3.8).

2.2.3.5 Rappon entre le débit et la profondeur d’un puits

Les figures 2.2.3.2 à 2.2.3.6 montrent la relation entre le débit d’un puits par unité de longueur de sa pénétration dans l’aquifère ou le taux d’injection d’eau par unité verticale de longueur dans un forage, comme étant tous deux fonction de la profondeur du puits. Tous les

graphiques présentés indiquent que la production décroit généralement avec la profondeur. On notera que la dispersion des points marqués est large et qu’elle peut être due à une ou plusieurs des

raisons suivantes:

1) le nombre de fractures recoupées par chaque puits;

2) des différences entre les types de fracture recontrées;

3) des reports de données inexacts;

représentent les débits de 1522 puits dans des roches schisteuses.

Eau absorbee en m3/h par m&re lineaire d'aquifere

-^^^ 0.007 0.04 0.07 0.36 0.76 3.70

I 1 l 304.8

Figure 2.2.3.4 Injections d’eau sur le site du barrage d’OravilIe,

Californie. Graphique basé sur 385 tests d’injection dans les

amphibolites ou ruches apparentées (d’après Davis et turk, 1964, modifié).

Eau absorbee en m3/h par metre lin-Caire d'aquifere 0.36 0.76 3.70

- 1524

Eau absorbee en GPM par pied

Figure 2.2.3.6 Résultats de 494 tests d’injection dans des serpentines, phyllites, gabbros et

roches voisines, en Californie (d’après Davis et Turk, 1964).

z 25% des essais ont

k absorbe de Veau

10 1 I I

\\

0.01 0.05 . 0.1

Eau absorbee en GPM par pied

Figure 2.2.3.5 Résultats de 412 tests d’injection dans des roches granitiques (d’après Davis et Turk,

1964).

Eau absorbee en m3/h par metre lineaire d'aquifere

0.007 0 04 0.07 036 0.76 3.70

Eau absorbee en GPM par pied

DCbits specifiques en l/s/m fonction de leur profondeur, dans des roches cristallines du socle du

Wisconsin. Le type de roche est le même que dans la figure 2.2.3.7 (d’après Summers, 1972, modifié).

Figure 2.2.3.7 Débits de forages en fonction de leur profondeur sous le niveau piézométrique dans des roches divers puits et leur profondeur dans les roches granitiques d’autres régions des Etats-Unis est montrée dans la figure 2.2.3.10. Dans le graphique précédent le matériel de recouvrement altéré (‘Grus’) est mentionné comme étant un élément significatif. Dans le suivant, la courbe de la région de Llano décroît plus rapidement avec la profondeur que celles établies pour d’autres régions.

Landers et Turk (1973) pensent que le climat peut jouer un rôle particulier dans la présence d’eau souterraine dans les roches cristallines. Les différentes proportions de constitution du matériel altéré (grus) peuvent avoir des relations avec la pluviométrie (Bannerman, 1973). La région de Llana possède un des climats les plus secs suivis en cela par la Sierra Nevada et l’Est des Etats-Unis (voir figure 2.2.3.10). Les effets du climat sur les eaux souterraines ont été étudiés précédemment dans la section 2.1.3.

Callahan et Choi (1973) présentent la revue d’ensemble d’un programme de forages entrepris dans les roches cristallines en Corée en 1966-71. Les figures 2.2.3.12 à 2.2.3.14 résument le résultat de ce programme.

71

Debit du puits en GPM par pied de nappe fcmction de leur profandeur, dans des roches cristallines de la régian du en fonction de leur profondeur dans des roches granitiques de Corée fonction de leur profondeur, dans des roches granitiques aquifères de en fonction de leur profondeur dans des gneiss de Curée (d’après Callahan et Choi,1973).

304.8

152.4

DFbit du puits en m3/h par metre de nappe en functiun de leur prafondeur dans des schistes de Curée (d’après

Une évaluation d’ensemble de la productivité des aquifères des ruches ignées et métamorphiques dans 1’Etat de Mysure en Inde a été menée par Krupandi et autres in 1973. En Afrique, Faillace (1973) présente un rapport sur des recherches cuncernant les roches métamurphiques du district de Karamuja en Ouganda. Burdzhanadze et autres (1970) fournissent des infurmatiuns sur la capacité aquifère des roches cristallines de l’Uniun Saviétique. Beyer (1968) et Larssun (1968, 1972) présentent des études sur les eaux souterraines au Brésil. Aux Etats-Unis, Clapp (1911), Mundorff (1948), Le Grand (1949), Baker (1957), Sever (1964), James (1967), May et Thomas (1968) Stewart (1971). Nutter (1974), Fluyd et Peace (1974) et Caswell (1979) présentent des études sur les eaux suuterraines dans les ruches ignées et métamurphiques en relation avec le débit des puits.

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