(aquifère du CT3)
Figure V- 34 : Diagramme de Piper des eaux du puits P333
Les mares de la zone rurale ont été étudiées par Favreau (2000). Nous reprenons ici cette étude. Les eaux de mare de la zone rurale apparaissent faiblement minéralisées (masse ionique médiane de 33 mg.L-1), au pH proche de 7,0 et de faciès principalement bicarbonaté sodique et potassique ; les eaux se situent dans le domaine de stabilité de la kaolinite, et sont sous-saturées vis-à-vis de la silice amorphe. Tous les rapports ioniques relatifs au chlorure (traceur considéré comme conservé) se situent
10.0 10.2 10.4 10.6 100.0 500.0 900.0 1300.0 1700.0 2100.0 2500.0 2900.0 profondeur de la nappe (m) conductivité (µS/cm) conductivité profondeur Mg SO 4+C l+N O3 Ca N a+ K CO 3+H CO 3 Cl+NO3 S O 4 C a+ M g 0 100 0 100 0 100 0 100 0 100 0 100 0 0 100 100 juin2004 janvier 2005 novembre 2005
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dans la gamme des eaux de pluie (excepté pour Mg2+ et K+, légèrement enrichis) ce qui témoigne d’une origine purement atmosphérique de la minéralisation des mares. Si l’on considère l’ion chlorure comme représentatif du taux de concentration, ce dernier est de l’ordre d’un facteur 2 à 9 pour les eaux de mare en saison des pluies. L’influence de l’évaporation sur la masse d’eau étant faible en hivernage d’après les données en 180 et 2H (in Desconnets, 1994), le lessivage et/ou l’érosion des sols sur le bassin versant, préalablement enrichis par évaporation des pluies infiltrées, apparaissent comme les principales origines de la minéralisation des mares endoréiques.
Sols
Dans la région de Niamey, les différentes études ont montré la présence de nodules carbonatés dans les alluvions de la terrasse moyenne T3. Les terrasses T4-T5 renferment également parfois des nodules carbonatés. Taupin et al. (2003) ont déterminé la composition minéralogique des nodules carbonatés de la terrasse moyenne T3 par diffractométrie X. La partie carbonatée des nodules est constituée de calcite légèrement magnésienne, de quartz et d'argile (kaolinite, montmorillonite, et illite). Les terrasses T4-T5 sont formées de matériaux limoneux et argileux (kaolinite, montmorillonite, smectite, illite). La terrasse T5 est le lieu où stagnent les eaux de crue, et le siège de processus d'alcalinisation et de salinisation (sels de calcium et de sodium) au niveau des rizières (Guéro, 2000). Ces trois terrasses constituent les formations de sub-surface des aquifères de la plaine.
Dans une zone d'épandage sableuse, à l'est de Niamey, Massuel et al. (2006) ont mis en évidence par prospection géophysique, analyses chimiques et isotopiques, sur certains points, une zone comprise entre 5 et 10 m présentant une conductivité électrique plus élevée, de l'ordre de 100 µS/cm, contre une conductivité inférieure à 10 µS/cm dans la zone non saturée d'autres points. De plus, les mesures de conductivité électrolytique effectuées sur des prélèvements de sols dilués montrent une forte corrélation avec la résistivité électrique mesurée en forage. L'analyse des ions majeurs a révélé que les ions NO3-, Ca2+ et Na+ sont responsables des conductivités électrolytiques plus élevées. La mise en solution de cette zone d'accumulation des ions peut être une des sources de nitrate, calcium et sodium rencontrés dans la nappe du CT3.
Formations aquifères
La connaissance de la nature lithologique de la roche aquifère est importante pour mieux comprendre la géochimie de l'aquifère. Cette géochimie est fortement liée au degré de confinement de l'aquifère, un facteur fortement dépendant de la transmissivité de l'aquifère, elle-même régit par la conductivité hydraulique, la porosité et la perméabilité de l'aquifère.
Le socle précambrien sous Niamey est formé principalement de granitoïdes (principalement granites et granito-gneiss), de schistes paradérivés (séricito-schistes), de métabasites (métabasaltes) et d'amphibolites. Les granitoïdes occupent la moitié sud-est de la carte de Niamey alors que les schistes occupent l'autre moitié avec une faible proportion de métabasites (Figure II-13). Ce socle est donc à dominante acide (saturé en silice). Les eaux de ces environnements sont en général peu minéralisées. Les granites de Niamey sont des granites à biotite et/ou amphibole, parfois à muscovite. Ils sont constitués de quartz, feldspaths, biotite, muscovite et amphibole. Les métagabbros de Niamey montrent des passées grossières et fines à feldspaths noyés dans une matrice chloriteuse. Les basaltes sont principalement formés de plagioclases et de pyroxène. Quant aux amphibolites, elles sont constituées de feldspaths kaolinisés, noyés dans une matrice chloriteuse.
L'étude effectuée par Ama Salah et al. (1996) sur la région de la Sirba montre que les basaltes sont constitués de plagioclase (bytownite), de clinopyroxène (augite), d'oxydes ferrotitanés, principalement.
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Les granitoïdes sont constitués de plagioclase (oligoclase), amphibole, biotite, titanomagnétite, apatite, zircon.
L'altération des minéraux conduit à la mise en solution d'ions issus de ce phénomène. Le processus dominant de l'altération d'un granite est l'hydrolyse. La séquence d'altérabilité décroissante des minéraux constitutifs des granites est : biotite, plagioclases, feldspaths alcalins, muscovite et quartz. Ces minéraux silicatés s'altèrent principalement de la manière suivante:
Feldspaths→séricite→vermiculite→montmorillonite-Al→kaolinite→gibbsite Biotites→chlorite→vermiculite→mont.-Al→kaolinite→gibbsite→goethite Muscovites→vermiculite→montmorillonite→kaolinite
L'altération des minéraux silicatés des granites donnent des nouveaux minéraux silicatés, souvent de la famille des argiles comme la montmorillonite (famille des smectites) et la kaolinite avec mise en solution de Ca2+, Mg2+, Na+, K+.
L'hydrolyse des plagioclases est illustrée par la formule ci-après :
(Équation 1)NaCaAlSi2O8 + CO2 + H2O = Al2Si4O10(OH)2 (montmorillonite) + Ca2+ + Na2+ + H4SiO4 + HCO3
-Ou
(Équation 2) NaCaAlSi2O8 + CO2 + H2O = Al2Si2O5(OH)2 (kaolinite) + Ca2+ + Na+ + H4SiO4 + HCO3 -En présence de pyroxène ou de biotite on a par exemple:
(Équation 3) 3NaAlSi3O8 + Mg2+ + 4H2O = 2NaAlMgSiO10(OH)2 + 2Na+ + H4SiO4 L'hydrolyse des pyroxènes est illustrée par la formule ci-après :
(Équation 4) CaMgSi2O6 + 4CO2 + 6H2O = Ca2+ + Mg2+ + 4HCO3- + 2H4SiO4
Les formations du CT3 à Niamey sont à dominante sableuse et argilo-sableuse, ou en intercalation avec des niveaux conglomératiques (conglomérat de base) et oolithiques. Ces formations à dominante siliceuse sont peu minéralisées. A Niamey, les coupes géologiques de certaines carrières (Pays bas par exemple) ont permis de bien caractériser la lithologie des formations du CT3 (cf. partie II; figure II- 13). La présence d'argiles a été mise en évidence. Ces argiles sont présentes aussi bien sous forme de niveau d'argiles sableuses qu'en intercalation dans le niveau conglomératique basal. Ces argiles peuvent être le siège de processus d'échange ionique dans l'aquifère du CT3.
A Niamey, les argiles mis en évidence dans les formations aquifères, et les sols sont principalement de la kaolinite, de la smectite, de la montmorillonite et de l'illite (Taupin et al., 2003). La capacité d'échange cationique de la kaolinite est comprise entre 1 et 10 meq/100 g de minéraux argileux. Cette CEC est beaucoup plus élevée pour la smectite par exemple (80 à 150 meq/100 mg de minéraux argileux) (Eslinger et Peaver, 1988).
Sources de la pollution
A Niamey de nombreuses sources polluantes ont été relevées. Il s’agit :
• des nombreuses latrines dont plusieurs sont d’anciens puits en particulier en zones urbanisées, situées à quelques mètres de puits en activité ;
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• les mares stagnantes comblées par des ordures ménagères et les eaux de ruissellement ; • l’utilisation des ordures ménagères comme fumures dans les champs et jardins ; • l’utilisation des ordures ménagères pour combler des dépressions ;
• l’épandage des ordures ménagères dans les rues et les ruelles pour éviter l’accumulation des eaux pluviales ;
• le rejet des eaux usées ménagères, hospitalières et industrielles non traitées sur les routes, dans les caniveaux, les marigots et dans le fleuve ;
• les rizières.
Dans cet environnement silicaté et peu minéralisé, l'ion nitrate apparaît comme un bon traceur de la pollution des eaux souterraines. Les faciès chimiques décrits plus haut font apparaître l'influence du nitrate sur la signature chimique des eaux. Les nitrates ont habituellement pour origine une nitrification de l’azote organique. Les nitrates ont longtemps été considérés comme des contaminants d'origine agricole, et de ce fait on s'attend à les rencontrer en quantité plus élevée dans les eaux souterraines des zones péri-urbaines qu'en zones urbaines. Or des concentrations élevées en nitrates sont apparues en zones urbaines liées à des sources différentes associées à l'urbanisation. En milieu urbain, les composés azotés proviennent des eaux usées et des déchets solides (ordures ménagères). Liée à une forte solubilité, le nitrate est la forme d'azote facilement utilisable par les plantes.
Figure V- 35 : Processus d'acidification des eaux interstitielles de la zone non saturée de milieux
urbains (Zilberbrand et al., 2001)
La Figure V- 35 décrit le processus d'acidification des eaux interstitielles de la zone non saturée dans un environnement silicaté. En milieu aérobie, le NH4+ est facilement oxydé en NO3- dans un délai de quelques heures à quelques jours et sur une distance n’excédant pas quelques dizaines de centimètres (Robertson and Blowes 1995) suivant l’équation :
(Équation 5) NH4+ + 2O2 → NO3- + 2H2O
De la même manière, le carbone organique sera transformé en condition aérobie : (Équation 6) CH2O + O2 → CO2 + H2O ↔ H2CO3 ↔ H+ + HCO3
-Les équations (5) et (6) illustrent bien les réactions chimiques conduisant à la baisse du pH des eaux souterraines (Robertson et Blowes, 1995), ce que reflètent les faibles valeurs de pH et les forts taux de NO3- rencontrés dans les échantillons d’eau collectés.
Ce processus peut entrainer la dissolution des carbonates de la zone non saturée, particulièrement les nodules carbonatés des terrasses alluviales T3 et T4-T5, avec un enrichissement des eaux de recharge
NH4+
Zone non saturée
Latrine
NH4+ + O2 NO3-
H2O + NO3- HNO3 + OH
-Acide nitrique
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en calcium. L'un des facteurs des teneurs élevées en calcium des eaux des altérites de la plaine alluviale en rive droite, démontré plus haut, semble donc être la dissolution des carbonates (nodules carbonatés) de la zone non saturée. L'apport de nitrates issus des latrines, généralement accompagné de chlorures issus des urines, peut dans certains environnements contenant des carbonates, conduire à la libération de calcium et la baisse du pH.
L'azote possède deux isotopes stables : 14N et 15N, et de nombreux radio-isotopes à courtes durées de vie. On le trouve dans les eaux souterraines sous forme d'ions nitrates, nitrite, ammonium, ou dans les acides aminés. Une analyse combinée de l'azote-15 et de l'oxygène-18 dans les nitrates permet généralement de distinguer les diverses origines de l'azote. Il est possible par exemple, sur la base des δ 15Nnitrates et des δ 18Onitrates, de différencier les nitrates d'origine organique des nitrates d'origines industrielles. A Niamey, Girard et Hillaire-Marcel (1997) en appliquant cette technique isotopique sur les eaux souterraines du socle, les échantillons de latrines et les échantillons de sols, ont attribué les teneurs élevées en nitrates à la présence des latrines, particulièrement en zone urbaine, avec contribution possible de nitrates présents dans les sols liés probablement à la rupture du cycle de l'azote par une déforestation croissante en zone périurbaine. En zone rurale, cette dernière hypothèse a été confirmée par Favreau (2000) sur la base des analyses chimiques et isotopiques. Par prospection géophysique, analyse chimique et isotopique de la zone non saturée d'une zone d'épandage sableuse, Massuel (2005) a mis en évidence une zone riche en NO3-, Ca2+ et Na+ et toujours comprise entre 5 et 10 m de profondeur avec des conductivités de l'ordre de 100 µS.cm-1.
Les résultats des analyses chimiques des échantillons de latrines prélevés en août 2002 à Wankama, à 60 Km à l'est de Niamey (Favreau, communication personnelle) ont été utilisés pour caractériser la contribution possible des latrines à la minéralisation des eaux souterraines.
V.1.2.2.2. Interrelations entre les différents paramètres V.1.2.2.2.1. Aquifère du Continental Terminal (CT3) Analyse en composante principale (ACP)
Les analyses en composantes principales (ACP) ont porté sur les variables suivantes : pH, conductivités et ions majeurs. La conductivité est très bien corrélée aux ions NO3-, Cl-, Na+, Ca2+, Mg2+ (0.8) (Annexe B, Tableau V-5). Ces fortes corrélations montrent que les variations des charges ioniques dissoutes sont entièrement ou en partie liées à des variations de teneurs de ces différents ions. Ceci indique également que ces différents paramètres ont tendance à évoluer concomitamment, soit par concentration sous l'effet de l'évaporation, soit par des apports d'ions issus de sources communes par exemple. Les alcalino-terreux, Ca2+ et Mg2+ sont bien corrélés entre eux et avec les alcalins, principalement Na+ et les anions Cl- et NO3-. Ces derniers (Na+, NO3- et Cl-) sont également très bien corrélés entre eux. Le pH est moyennement corrélé aux anions HCO3-, NO3- et à Na+. La corrélation est négative pour NO3- et Na+. Le pH présente également une faible corrélation négative avec la conductivité électrique et le Cl- de l'ordre de -0,4. La baisse des pH (acidification) semble être liée à une hausse de la minéralisation totale (conductivités) et à des apports en ions NO3-, Cl-, Na+ suivis d'une baisse des concentrations en HCO3-. Aucune corrélation n'est observé entre le SO4-, ion le moins présent dans le CT3, et les autres variables. Les cations échangeables Na+-Ca2+, Na+-Mg2+, K+-Na+ sont corrélés positivement. Aucune corrélation négative entre ces cations n'est observée. Il est probable que la hausse et/ou la baisse des teneurs en cations soit liée aux effets combinés des apports de surface (atmosphériques et anthropiques) et d'eaux de formations différentes (aquifère du socle sous-jacent), et des processus de concentration par évaporation alors que le processus d'échange
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cationique n'est pas évident pour la gamme de données dont nous disposons, ce processus étant probablement masqué par les autres processus chimiques.
La Figure V- 36a présente les pourcentages de variance absorbée par les axes principaux et la corrélation entre les deux axes principaux et les variables. Les données sont ensuite représentées dans l'espace réduit des deux premières composantes principales sur la Figure V- 36b, ce plan représentant 78% de la variance pour l'analyse des variables utilisées. Trois groupes se dégagent de cette analyse et leur localisation est représentée à la Figure V- 7 –a-. Le groupe 1 (70% des échantillons) est situé dans le plan du pH et des anions HCO3- et SO42- et opposé au plan où se trouvent la conductivité, tous les cations et les anions NO3- et Cl-. C'est le groupe le moins minéralisé avec des pH et des teneurs en bicarbonates et en sulfates proches de la médiane des eaux du CT3 de la ville de Niamey. Le groupe 2 (7% des échantillons) est moyennement minéralisé et se situe dans le plan où se localisent la conductivité, et les cations Ca2+, Mg2+, K+ et l'anion Cl-, et dans le plan opposé à Na+ et NO3-, mais assez proche. Ce groupe est constitué par des puits proches du bras amont du cours d'eau temporaire (Gounti yéna) et proche de points polluants (marché du bétail, latrines et ordures ménagères). Le groupe 3 (20% des échantillons) se positionne près de Na+, NO3-, Cl- et de la conductivité et opposé au plan où se trouvent Ca2+, Mg2+, K+. Les puits qui forment ce groupe sont situés en centre ville, près de points polluants (mares comblées d'ordures).
Variables F1 F2 pH -0.45 0.73 Conductivité 0.99 0.02 Ca2+ 0.91 0.28 Mg2+ 0.90 0.14 Na2+ 0.97 -0.13 HCO3 - 0.02 0.92 Cl- 0.98 0.04 SO42- -0.09 0.394 NO3- 0.97 -0.18 K+ 0.52 0.40
Figure V- 36a : Pourcentage de variance absorbée pour les 10 axes principaux et corrélation entre les
variables et les facteurs ; analyse pour l'aquifère du CT3
0 20 40 60 80 100 0 1 2 3 4 5 6 7 F1 F2 F3 F4 F5 F6 F7 F8 F9 F10 Variab ilité cu mu lée (%) Valeu r pro p re axe