Causes des variations des conditions d’´ecoulement

Cycles astronomiques

En premier lieu, les aquif`eres font partie int´egrante du syst`eme terrestre et subissent, comme tout syst`eme naturel ou artificiel, les cons´equences directes ou indirectes des cycles astronomiques.

La Terre tourne sur elle-mˆeme en 23h54min sur un axe oblique de 23.5° et autour du soleil en 365.25 j. Ces deux mouvements sont `a l’orgine des fluctuations journali`eres et saisonni`eres des temp´eratures qui vont influencer les conditions m´et´eorologiques `a ´echelle locale, r´egionale ou mondiale. Ainsi, il n’est pas ´etonnant que les quantit´es de pr´ecipitations ainsi que les niveaux limnim´etriques des cours d’eau naturels expriment un caract`ere cyclique journalier et saisonnier.

La Lune tourne autour de la Terre en 27 j, mouvement qui par effet de gravi- tation est `a l’origine des mar´ees. Sans entrer dans les d´etails, l’amplitude de

celles-ci d´epend des positions relatives de la Terre, de la Lune et du Soleil et fluctue ainsi sur des p´eriodes de 0.52, 14.7, 27.5 et de ∼180 j. Les marnages les plus importants se produisent deux fois par an aux ´equinoxes. Les effets des mar´ees ont une influence directe sur les aquif`eres cˆotiers ainsi que sur certains aquif`eres fissur´es continentaux (mar´ees terrestres) (Tacher et al., 1993).

Des cycles de 18.6 ans dans les intensit´es de pr´ecipitations ont pu ˆetre mis en ´evidence aux USA. Ils ont ´et´e interpr´et´es comme des effets li´es aux cycles solaires et lunaires (Currie et Obrien, 1992).

Les modifications de l’excentricit´e de la trajectoire elliptique de la Terre autour du Soleil, combin´ees avec les modifications de l’oblicit´e de l’axe de rotation de la Terre (mouvements de pr´ecession et de nutation) sont `a l’ori- gine des cycles de Milankovitch dont les p´eriodes sont de 22’000, 41’000 et 100’000 ans.

Les variations des isotopes stables d’oxyg`ene (18_O/16_{O) mesur´ees dans les}

carottes glacaires ou dans les s´ediments ont confirm´e l’importance de ces cycles dans les variations climatiques globales et `a plus long terme. Les va- riations de temp´erature vont avoir des implications importantes sur tous les aspects du cycle de l’eau, avec des modifications du taux de pr´ecipitations, du taux d’´evapotranspiration, du volume d’eau stock´e sous forme de neige ou de glace, du taux d’infiltration dans les eaux souterraines, du niveau moyen des cours d’eau et finalement des interactions nappes-rivi`eres (Al- len et al., 2004). Ces fluctuations climatiques sont ´egalement responsables des glaciations qui se produisirent pendant le Quaternaire. Pendant ces p´e- riodes, l’extension des calottes glaciaires peut influencer consid´erablement la mise en charge des syst`emes d’´ecoulement et de modifier leur organisation `

a large ´echelle (Boulton et al., 1996). Cons´equences directes des glaciations, les variations eustatiques des mers et oc´eans varient consid´erablement dans le temps, avec des abaissements de plusieurs centaines de m`etres par rap- port au niveau actuel, qui ont pu atteindre jusqu’`a 1000-1500 m pendant le Messinien (5.5 millions d’ann´ees). Ces modifications du niveau marin moyen modifient la ligne de base des r´eseaux hydrologiques continentaux en accen- tuant ou r´eduisant les processus d’´erosion ou de s´edimentation. Ces processus peuvent consid´erablement modifier tous les syst`emes d’´ecoulement, mais en particulier ceux des aquif`eres cˆotiers. Ces fluctuations `a tr`es long terme des conditions r´egionales de recharge expliquent ´egalement l’origine des impor- tantes r´eserves d’eau douce `a grande profondeur dans les r´egions d´esertiques subsahariennes (aquif`eres fossiles).

Cycles orog´eniques

En compl´ement `a ces mouvements d’origine astronomique, la Terre elle- mˆeme est en constante ´evolution de par les mouvements de convection mag- matique dans l’ast´enosph`ere, moteur de la tectonique des plaques et de la d´erive des continents. Ces mouvements tectoniques sont responsables `a large ´echelle des cycles orog´eniques qui se d´eroulent de mani`ere continue sur des ´echelles de plusieurs dizaines voire de centaines de millions d’ann´ees. Pa- radoxalement, ces mouvements se manifestent ´egalement de mani`ere catas- trophiques avec des temps de retour tr`es rythm´es (tremblements de terre). Ces cycles orog´eniques ont une importance majeure dans les circulations de fluides `a l’´echelle des grandes unit´es g´eologiques dont les moteurs principaux sont la gravit´e (par diff´erence d’altitude) ainsi que les pressions diff´erentielles exerc´ees par les forces tectoniques. De nombreux syst`emes hydrog´eologiques, tels que certains syst`emes hydrothermaux, sont ainsi actifs uniquement lors- qu’un relief est existant (phase orog´enique active) et passifs entre deux cycles orog´eniques quand les chaˆınes de montagnes sont `a l’´etat de p´en´eplaine. La pal´eohydrog´eologie est la science qui d´ecrit les anciens syst`emes d’´ecoule- ment qui ne sont plus actifs. Un exemple d’´etude sur la pal´eohydrog´eologie d’un gisement m´etallif`ere est illustr´e `a la fin de ce chapitre.

Propri´et´es physiques de l’aquif`ere

Les conditions d’´ecoulement sont ´egalement ´etroitement contrˆol´ees par les param`etres physiques des roches aquif`eres, telles que la porosit´e et la perm´ea- bilit´e. A nouveau, selon les ´echelles de temps consid´er´ees, ces param`etres ne sont pas constants. Pour des p´eriodes suffisamment longues, ces param`etres sont contrˆol´es par les processus chimiques de dissolution et de pr´ecipitation qui peuvent respectivement augmenter ou diminuer la porosit´e et la perm´ea- bilit´e. La rapidit´e `a laquelle ces processus se produisent va d´ependre de la nature des roches encaissantes, de la nature des fluides et du contexte tec- tonique. Ces processus peuvent ˆetre relativement rapides dans les syst`emes calcaires proches de la surface avec tous les processus de karstification ainsi que dans les syst`emes hydrothermaux, o`u la pr´ecipitation des min´eraux peut consid´erablement affecter la porosit´e. Dans des contextes tectoniques actifs, les processus de fracturation ont pour effet de maintenir un certaine porosit´e et ainsi ´eviter le colmatage int´egrale des roches.

D’autres processus de compaction `a l’´echelle de bassins s´edimentaires, ou de tassement pour les roches meubles de subsurface peuvent ´egalement affecter de mani`ere permanente ou temporaire les propri´et´es physiques des aquif`eres et donc des syst`emes d’´ecoulement.

Propri´et´es physiques des fluides

Finalement les derniers facteurs pouvant fluctuer temporellement se trouvent dans les propri´et´es physiques des fluides eux-mˆemes, et particuli`erement ceux qui affectent leur densit´e et leur viscosit´e par modification de la temp´erature ou de leurs teneurs en substances dissoutes. A diff´erentes ´echelles, ces pro- cessus concernent les syst`emes aquif`eres naturels `a proximit´e des mers et des oc´eans dans lesquels la salinit´e peut varier `a l’´echelle des temps g´eologiques ainsi que les syst`emes hydrothermaux dont la temp´erature des fluides et les concentrations en substances dissoutes peuvent fluctuer `a br`eve ou plus longue ´echelle de temps.

Facteurs anthropiques

Dans les paragraphes pr´ec´edents, seules les causes naturelles des variations des conditions d’´ecoulement ont ´et´e d´ecrites. Or l’activit´e humaine peut ´ega- lement modifier de mani`ere permanente ou cyclique les syst`emes d’´ecoule- ment. Ainsi, les ouvrages de g´enie civil, tels que les canalisations, les proces- sus de drainage ou la constrution de barrages ou de tunnels, ou la d´eviation de cours d’eau, peuvent modifier sensiblement les conditions d’infiltration et d’´ecoulement. Ces modifications sont souvent permanentes `a ´echelle hu- maine.

Concernant les processus cycliques, l’exploitation des nappes d’eau souter- raine par le biais de puits de captage va ´egalement modifier de mani`ere cyclique les syst`emes d’´ecoulement. L’activit´e humaine ´etant rythm´ee par les cycles astronomiques, les cyclicit´es des pompages ou des d´ebits de r´ein- filtration artificielle sont naturellement cadenc´ees sur ces mˆemes rythmes. Ainsi, il est courant de remplir les r´eservoirs pendant la nuit afin de dis- tribuer l’eau pendant la journ´ee. En p´eriode estivale, lorsque l’apport par les pr´ecipitations est faible, les d´ebits d’exploitation sont g´en´eralement plus ´elev´es qu’en hiver. Cela explique pourquoi les d´ebits de pompage varient la plupart du temps selon des fr´equences journali`eres et saisonni`eres. Il en est de mˆeme pour les cours d’eau dont les d´ebits sont artificiellement contrˆol´es par les barrages qui r´epondent aux besoins ´energ´etiques de la population et sont donc rythm´es par les jours et les saisons.

D’autres exemples d’activit´es humaines peuvent ´egalement modifier les pro- pri´et´es physiques des fluides. La densit´e des fluides peut, par exemple, ˆetre modifi´ee par les lixiviats concentr´es si les aquif`eres sont localis´es `a proxi- mit´e de d´echarges ou de sites pollu´es. La temp´erature des fluides peut, elle, ˆetre modifi´ee `a proximit´e des sites de stockage de d´echets nucl´eaires, ou de centrales thermiques.