Les eaux souterraines

Deux types d’eaux souterraines ont été étudiés dans la carrière de Saint-Martin-le-Nœud : les eaux de lacs souterrains et les eaux de percolations. L’instrumentation et l’échantillonnage mis en place sont décrits ci-dessous.

1.2.1.1 Eaux des lacs souterrains

Les eaux des lacs souterrains ont été étudiées. Certains lacs ont été instrumentés (Tableau 3-5 ; Tableau 3-6) pour suivre en continu les variations du niveau d’eau, de la température, de la conductivité électrique et du pH. Tous les lacs ont été échantillonnés régulièrement (périodicité de quelques jours à 3 mois) pour connaitre leurs concentrations en ions majeurs. La stratégie d’échantillonnage et d’équipement de la carrière a évolué en fonction des résultats obtenus au cours de l’étude.

Tableau 3-6 : Caractéristiques techniques des équipements utilisés.

Equipement Paramètres suivis (précision/résolution) ou caractéristiques

Préleveur

automatique ^{24 flacons de 250 mL}

ACTEON Niveau d'eau (± 1% / 1 cm), conductivité (± 0,5% / 0,1 µS cm-1) Odéon ^{Température (± 0,1° C / 0,01° C), pH (± 0,1% pH / ?), conductivité} _{(± 1% / 0,1 µS cm}-1) Diver CTD ^{Niveau d'eau (± 2,5 cm / 1cm), température (± 0,1 °C) et conductivité (±} _{1% µS cm}-1 / ± 0,1%) TROLL 500 Niveau d'eau (1% / 0,005%) et température (± 0,1° C / 0,01° C) a) Mesures en continu : Niveau d’eau et paramètres physicochimiques des lacs

Depuis Octobre 2011, le plus grand nombre de lacs possible a été équipé de sondes permettant l’enregistrement en continu du niveau d’eau et des paramètres physicochimiques. Le lac des Piliers avait été instrumenté depuis 2009 par l’INERIS. Le niveau d’eau des lacs Piliers, Stalactites, Liège, Lucarne, Lithoclase et Voutes a été enregistré en continu au pas de temps horaire, à l’aide de différentes sondes posées au fond des lacs (Tableau 3-5, Tableau 3-6).

La température, la conductivité électrique et le pH ont également été suivis en continu au pas de temps horaire dans certains de ces lacs, à l’aide de différentes sondes posées au fond des lacs (Tableau 3-5, Tableau 3-6). Ces sondes n’ont pas été ré-étalonnées après leur mise en place dans la cavité.

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b) Mesures ponctuelles : paramètres physicochimiques

Lors de campagnes de terrain les paramètres physicochimiques (température, pH, conductivité électrique, O2 dissous) des eaux des lacs ont été mesurés grâce à un instrument de mesure multiparamètre portable VWR 3430 SET K (précision de ± 0,004 pour le pH, ± 0,5% pour la conductivité et l’oxygène dissous et de ± 0,2°C pour la température). Le pH et la conductivité sont vérifiés et si besoin étalonnés avant chaque campagne (pour le pH, 2 points de contrôle : pH 4 et pH 7 et pour la conductivité 1 point de contrôle ; 1430 µS cm-1).

c) Echantillonnage des eaux des lacs

Les premières mesures (entre janvier 2012 et octobre 2012) ont permis de mettre en évidence que les variations spatiales inter-lacs étaient très marquées tandis que les variations temporelles semblaient relativement faibles. La stratégie d’échantillonnage a donc été adaptée et a consisté à prélever le maximum de lacs lors de chaque campagne (haute résolution spatiale) et de ne suivre à haute résolution temporelle que le lac Bleu et le lac Pedro (le lac des Piliers ayant été finement suivi au tout début de l’étude).

Le nombre de campagnes de mesure est limité pour deux raisons :

- Premièrement, la cavité est un site classé Natura 2000 pour la protection des chiroptères. De ce fait, elle n’est pas accessible entre début Novembre et fin Avril (période d’hibernation). Le conservatoire a cependant permis l’accès à la cavité pendant deux journées (non consécutives) durant cette période de l’année.

- Deuxièmement, le temps nécessaire à chaque campagne de terrain est important : le site se trouve à environ 2 h de route du laboratoire, la campagne de terrain en elle-même dure environ 9 h, le temps de préparation d’une campagne de terrain est d’environ 3 jours, mais peut être beaucoup plus long, le temps de conditionnement / analyse des échantillons acquis pendant le terrain est estimé au minimum à une semaine.

De ce fait, durant la thèse, 14 campagnes d’échantillonnage manuel ont été réalisées, complétées par des prélèvements automatiques.

Les protocoles de conservation et d’analyse des échantillons prélevés sont détaillés dans les paragraphes 1.2.2 et 1.2.3.

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Echantillonnage manuel

Les eaux des lacs de la carrière de Saint-Martin-le-Nœud ont été échantillonnées à raison d’environ une campagne par mois de mai à septembre ainsi que deux campagnes en période hivernale. A chaque campagne, un flacon de 250 mL en Nalgène est prélevé (en prenant garde d’éviter la présence d’air dans le flacon) pour l’analyse de l’alcalinité et l’analyse des concentrations en ions majeurs. Les flacons sont soigneusement fermés pour éviter les contacts avec l’atmosphère.

Une campagne de prélèvement supplémentaire en Mai 2013 a permis d’échantillonner les eaux des lacs (flacon Nalgène 250 mL) pour l’analyse des concentrations en pesticides (Lebreton, 2013).

Echantillonnage par prélèvements automatiques

Des préleveurs automatiques ISCO ont été installés sur les lacs Bleu, des Piliers, et Pedro (Tableau 3-5) pour compléter les campagnes d’échantillonnage manuel. La fréquence d’échantillonnage a été choisie à un prélèvement tous les 4 jours afin de couvrir la période entre deux campagnes hivernales. Ces préleveurs ne sont pas réfrigérés et les échantillons prélevés sont stockés dans des flacons en contact avec l’atmosphère (faible étanchéité des préleveurs) mais protégés des eaux de percolation et de la lumière, à une température stable d’environ 12°C et un taux d’humidité d’environ 100%. L’eau ainsi récoltée est récupérée, à chaque campagne de terrain, dans un flacon en Nalgène de 250 mL et un flacon en verre brun de 60 mL (de manière à éviter les bulles d’air). Les eaux prélevées peuvent donc avoir passé près de deux mois dans les préleveurs avant d’être conditionnées pour analyses. Les flacons des préleveurs sont rincés avec de l’eau distillée et remis en place.

1.2.1.2 Eaux de percolation

Etudier les eaux de percolation permet de remonter directement aux processus ayant lieu dans la ZNS. Cependant, cela reste difficile. En effet, la cavité est vaste et les débits de percolation sont très hétérogènes dans le temps comme dans l’espace. Nous avons choisi de nous intéresser à la percolation à proximité des lacs souterrains afin de pouvoir les comparer. Les eaux de percolation du reste de la cavité n’ont pas été étudiées. Néanmoins, même à l’échelle restreinte de quelques

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mètres carrés l’hétérogénéité des débits est très forte et celle de la géochimie des eaux est inconnue. Il est par conséquent difficile de proposer une méthodologie d’échantillonnage. Cette étude constitue donc une première étape dans la caractérisation des eaux de percolation de la cavité. Durant le cycle hydrologique 2011/2012, les débits de percolation étaient nuls ou trop faibles pour que l’échantillonnage des eaux de percolation soit possible. Elles n’ont pu être échantillonnées qu’à partir de 2013 à la réouverture de la carrière en Mai.

1.2.1.3 Mesures in situ

a) Mesures en continu : débits de percolation

Le débit de percolation a été enregistré à l’aide de deux pluviomètres à augets qui fournissent des chroniques de percolation cumulée journalière en mm j^-1.

Le premier a été installé en Mars 2011 au lac des Piliers, sous un endroit où une percolation abondante avait été observée en 2009 et 2010. Le pluviomètre est incrémenté par pas de 0,034 mm.

Le deuxième a été installé, au cours de cette thèse, en 2012 au lac Pedro dans un endroit où la percolation était abondante et sous une bâche de 4 m2 afin d’intégrer une plus grande surface de toit (Figure 3-3). La forte remontée des eaux nous a contraints à déplacer le pluviomètre d’environ 15 m le 19/03/2013. A partir de cette date le pluviomètre reçoit uniquement les eaux situées directement au-dessus de lui, la bâche n’ayant pas pu être déplacée. Le pluviomètre est incrémenté par pas de 0,2 mm.

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b) Paramètres physicochimiques des eaux de percolation

La température et la conductivité électrique des eaux de percolation au lac des Piliers ont également été enregistrées en continu. Un dispositif de collecte a été mis en place dans le lac. Sous ce dispositif, un flacon à débordement a été installé, permettant un renouvellement des eaux lorsque la percolation est suffisante et le maintien d’un niveau d’eau minimum en l’absence de percolation. Une sonde ODEON a été placée dans le flacon (Figure 3-4).

Figure 3-4 : Dispositif de suivi de la conductivité électrique des eaux de percolation au lac des Piliers.

c) Echantillonnage des eaux de percolation

Les eaux de percolation ont été collectées en récoltant les gouttes suspendues aux stalactites ou directement au plafond à l’aide de flacons en Nalgène de 60 mL. Le débit de percolation étant relativement faible, seule une vingtaine de millilitres a pu être récoltée sur chaque site de prélèvement et les flacons n’étaient pas complètement remplis (présence d’air). Le volume des échantillons d’eaux de percolation n’était pas suffisant pour mesurer les paramètres physicochimiques (in-situ) et pour analyser l’alcalinité. Seules les concentrations en ion majeurs (excepté HCO3^-) et les concentrations en pesticides (pour quatre échantillons) ont pu être mesurées.

La représentativité des échantillons ainsi récoltés sera discutée dans la dernière partie de ce mémoire.

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