EAUX DE NAPPE

II.1-GÉOCHIMIE DES ÉLÉMENTS MAJEURS

Dans le but d'étudier les interactions entre les eaux de surface et les eaux souterraines, il est nécessaire de caractériser le plus précisément possible les différentes masses d'eaux présentes sur le bassin versant. Pour les eaux de nappe, les données d'un certain nombre d'analyses géochimiques ont été récupérées depuis la banque

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de données en ligne ADES. De plus, des échantillons d'eau ont été prélevés sur le terrain au cours de la thèse dans des piézomètres situés dans différentes formations lithologiques plus ou moins en surface. Les analyses des éléments majeurs sont reportées dans un diagramme de Piper (Figure 3-18). Ce diagramme a pour but de mettre en évidence la composition géochimique des eaux en fonction de leur concentration en ions majeurs. Ce diagramme permet de caractériser le faciès géochimique d'une masse d'eau.

Les données des eaux de la nappe de Beauce issues des différents qualitomètres indiquent un faciès bicarbonaté-calcique typique d'eaux souterraines contenues dans des formations calcaires. Les eaux issues des autres formations sur le terrain présentent le même type de minéralisation, avec un faciès majoritairement bicarbonaté-calcique. Alors que les points représentant les eaux de la nappe de Beauce sont bien groupés, les valeurs pour les différents échantillons de terrain sont plus dispersées, en particulier pour les piézomètres situés dans les tourbes, les alluvions et les cressonnières, c’est-à-dire les formations affleurantes du fond de rivière. Ce sont en général les concentrations en sulfates et en nitrates qui sont les plus importantes au sein des formations du fond de vallée.

Figure 3-18 : Diagramme de Piper des échantillons d'eau de nappe au sein du bassin versant de l'Essonne. Les données de la banque en ligne ADES sont représentées par les ronds roses "Beauce". Les autres échantillons présentés sont tous issus de campagnes de terrain

effectuées pendant la thèse.

Les échantillons issus de la nappe de Beauce ont été séparés car il s'agit de prélèvements effectués à partir de forages profonds directement au sein de la nappe, alors que les piézomètres utilisés pour les prélèvements pendant la thèse sont relativement peu profonds et situés dans les différentes formations superficielles contenues dans les fonds de vallée de l'Essonne. Les données géochimiques indiquent qu'il n'existe qu'une seule entité hydrogéologique, constituée par l'aquifère principal et toutes les formations superficielles perméables, car elles possèdent la même minéralisation. Certains échantillons au niveau des tourbes et des cressonnières possèdent cependant une concentration en sulfates plus élevée que les valeurs mesurées dans la nappe. La composition des tourbes, riches en matière organique plus ou moins décomposée peut être à l'origine de cette concentration anormalement élevée en sulfates.

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Le diagramme de Schöeller permet de mettre en évidence les concentrations mesurées pour les ions majeurs dans les échantillons sur une échelle logarithmique. Ici, deux comportements différents peuvent être identifiés pour les eaux souterraines (Figure 3-19). D'une part, un premier groupe assez homogène est composé par les eaux des piézomètres de la nappe de Beauce, ainsi que le marais de Jarcy et les cressonnières. Un second groupe, présentant quelques différences de concentrations sur certains éléments, est composé par les tourbes et les alluvions. Les eaux du second groupe ont une concentration plus importante en chlorures, sodium/potassium et sulfates que les eaux du premier groupe. Ces éléments peuvent se retrouver dans les eaux de surface et superficielles suite à certaines activités anthropiques, comme l'agriculture, les industries ou encore les stations d'épuration.

Figure 3-19 : Diagramme de Schöeller représentant la géochimie des eaux souterraines, selon les anions et les cations majeurs. Les données de la nappe de Beauce sont issues de la banque en ligne ADES. Les autres échantillons sont des données issues de

prélèvements effectués durant la thèse.

On notera que les eaux de la nappe présentent une concentration en nitrates de l'ordre de 20 à 30 mg/l. L'origine des nitrates dans les eaux souterraines n'est pas précisément établie, mais l'on peut toutefois supposer qu'ils proviennent de l'activité agricole en surface. L'eau se charge donc en nitrates lorsqu'elle traverse le profil de sol pour atteindre la nappe. De même, les eaux contenues dans les formations récentes sont au contact direct des zones anthropisées et sont donc potentiellement contaminées par le ruissellement et les apports de surface. Les eaux des cressonnières ont une minéralisation très proche des eaux de la nappe de Beauce. Le marais de Jarcy comporte quant à lui une concentration en nitrates très faible, qui peut indiquer une certaine capacité d'autoépuration de ce marais par rapport aux sulfates et aux nitrates.

II.2-INDICES DE SATURATION

Pour se rendre compte de la qualité des mesures faites sur le terrain, ainsi que pour retrouver éventuellement l'origine de la minéralisation des eaux, on peut calculer plusieurs indices à partir des données géochimiques. Tout d'abord la balance ionique, qui représente l'équilibre entre les anions et les cations, permet de voir si tous les éléments chimiques ayant une concentration non-négligeable ont été pris en compte. Idéalement, la

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balance ionique doit se situer entre -5 et +5% pour que l'on puisse considérer que les mesures faites sont de bonne qualité et englobent tous les éléments majeurs. En cas de prélèvements plus difficiles sur le terrain, on tolère une valeur comprise entre -10 et +10%.

𝐵𝑎𝑙𝑎𝑛𝑐𝑒 𝑖𝑜𝑛𝑖𝑞𝑢𝑒 (%) =^{∑ 𝑎𝑛𝑖𝑜𝑛𝑠 − ∑ 𝑐𝑎𝑡𝑖𝑜𝑛𝑠}

∑ 𝑎𝑛𝑖𝑜𝑛𝑠 + ∑ 𝑐𝑎𝑡𝑖𝑜𝑛𝑠^{× 100 , (3.1)}

Si la valeur de la balance ionique n'est pas bonne, cela signifie que les résultats des analyses chimiques ne sont pas fiables, ou qu'il manque un ou plusieurs éléments chimiques à prendre en compte et qui n'ont pas été mesurés.

Pour retrouver l'origine de la minéralisation des eaux, et voir avec quels minéraux elle se trouve éventuellement à l'équilibre, on peut aussi exprimer les indices de saturation de certains minéraux à partir des concentrations en ions de la solution :

𝐼𝑆 (𝑖𝑛𝑑𝑖𝑐𝑒 𝑑𝑒 𝑠𝑎𝑡𝑢𝑟𝑎𝑡𝑖𝑜𝑛) = 𝑝𝐻 − 𝑝𝐻𝑠 , (3.2)

avec le pH de la solution considérée, et le pHs qui définit le pH de saturation du minéral considéré, comme la calcite par exemple :

𝑝𝐻𝑠 = 𝐶 − (𝑙𝑜𝑔10𝐴𝑙𝑐 + 𝑙𝑜𝑔10𝐶𝑎𝑂), (3.3)

C est une constante définie selon la température et la minéralisation de l'eau et l'alcalinité (Alc) représente la capacité d'une eau à neutraliser un acide. Si l'indice de saturation est inférieur à -0,5, on considère que la solution est sous-saturée et aura donc tendance à plutôt dissoudre le minéral. Si la valeur est proche de 0, comprise entre -0,5 et +0,5, on se trouve à la limite de la saturation, et des variations de certains paramètres hydrodynamiques de l'eau peuvent faire basculer la solution en sous ou sursaturation. Enfin, si la valeur de l'indice de saturation vis-à-vis d'un minéral dépasse 0,5, la solution considérée est en sursaturation vis-à-vis du minéral considéré, et les conditions sont favorables à une précipitation.

Enfin, on peut calculer la pression partielle du CO2 dans l'eau (pCO2), à partir des données géochimiques, du pH et de la température. Cette donnée permet de savoir si l'eau est en équilibre avec l'atmosphère ou au contraire plus riche en CO2 dissous, comme c'est le cas dans les eaux souterraines.

𝑃(𝑎𝑡𝑚) = 10−𝑃_𝐶𝑂2 , (3.4)

La valeur moyenne de pCO2 pour l'atmosphère est de -3,5 (exprimée en log). À l'inverse, les eaux souterraines, plus concentrées, présentent une valeur théorique autour de -2.

Les balances ioniques, indices de saturations pour certains minéraux communs et pressions partielles de CO2 pour les échantillons de la nappe de Beauce issus de la banque en ligne et pour des échantillons prélevés sur le terrain ont été calculés à l'aide du logiciel Diagrammes qui utilise le code Phreeqc. Les résultats sont compilés dans le Tableau 3-5.

L'ensemble des eaux issues des piézomètres dans les formations superficielles ont des indices de saturation négatifs pour la dolomite, le gypse et l'anhydrite. Ces trois minéraux ne pouvant précipiter qu'en présence d'eau saumâtre très sursaturée et dans des conditions particulières, il n'est donc pas étonnant que ces indices soient faibles. Les indices de saturation de la calcite et de l'aragonite présentent des valeurs à la limite de la saturation. De plus, leur pCO2 est inférieure à -2, valeur représentative des eaux qui ne sont pas en équilibre avec l'atmosphère et qui peuvent donc conduire à une précipitation de calcite/aragonite si elles se retrouvent en déséquilibre.

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Les eaux de la nappe de Beauce présentent un indice de saturation pour la calcite et pour l'aragonite également proche de 0, soit des solutions saturées en calcium et carbonates. Leur pCO2 est également plus faible que celle de l'atmosphère, ce qui indique un aquifère dont les eaux ne sont pas à l'équilibre avec les conditions atmosphériques. Les conditions physico-chimiques des eaux souterraines sont donc favorables à la précipitation de calcite en cas de modification de ces paramètres. Certaines balances ioniques sont assez élevées, supérieure à la valeur de 10% retenue comme marge d'erreur, en particulier celles issues de certains piézomètres échantillonnés sur le terrain. Les mesures d'alcalinité ont été réalisées directement sur le terrain, ce qui peut provoquer une incertitude sur les mesures. Les eaux ayant la pCO2 la plus faible sont les eaux issues des piézomètres des formations superficielles. On peut donc penser qu'au sein de ces formations, l'eau est relativement stagnante car peu renouvelée. Les eaux sont donc peu à peu enrichies en CO2, du fait de leur faible circulation. Certains éléments chimiques non mesurés peuvent aussi être présents en quantités non-négligeables dans les eaux comme le fer, l'aluminium ou le fluor.

Echantillon Libellé Bal. Ion. (%) IS calcite IS Aragonite IS Dolomite IS Gypse Is Anhydrite pCO2 (log)

BA1 Alluvions 7 0,35 0,20 -1.10 -0,95 -1,20 -1,61 BT1 Tourbes 1 0,93 0,78 -0.10 0,40 0,15 -1,72 BT2 Tourbes -16 0,31 0,16 -1.90 -1,68 -1,93 -1,40 BA2 Alluvions 0 -0,01 -0,16 -1.68 -1,79 -2,04 -1,59 BA1 Alluvions 39 0,84 0,69 -0.54 -1,53 BT1 Tourbes 58 1,14 0,98 -0.29 -1,80 NA1 Alluvions 10 0,39 0,24 -0.95 -2,15 -2,38 -2,25 NC2 Calcaires 11 0,16 0,01 -1.25 -2,20 -2,45 -2,24 NA2 Alluvions 11 0,19 0,04 -1.10 -1,97 -2,21 -1,93 NT2 Tourbes 12 0,56 0,41 -0.88 -2,05 -2,30 -1,39 Ballancourt Beauce -2 0,12 -0,03 -1.49 -2,47 -2,72 -2,08 Etampes Beauce 2 -0,08 -0,24 -1.87 -2,12 -2,37 -1,71

La forêt sainte croix Beauce -2 0,14 -0,01 -1.42 -2,46 -2,71 -2,06

Milly la forêt Beauce 0 0,22 0,07 -1.34 -2,59 -2,84 -2,20

Orveau Beauce 0 0,04 -0,11 -1.71 -2,19 -2,44 -1,98 Videlles Beauce 1 -0,40 -0,55 -2.31 -2,24 -2,49 -1,44 Cressonnière MNP1 Cressonnière 13 0,02 -0,13 -1.43 -2,03 -2,25 -1,91 Cressonière MNP2 Cressonnière 3 0,09 -0,05 -1.41 -2,15 -2,37 -1,85 Jarcy P1 Jarcy 19 0,23 0,08 -1.64 -1,91 -2,16 -1,17 Jarcy P3 Jarcy 6 -0,01 -0,16 -1.81 -2,50 -2,75 -1,29

Tableau 3-5 : Principaux indices de saturation et valeurs de pCO2 et des balances ioniques calculés pour les échantillons d'eaux souterraines.

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