Hydrogéologie : un milieu à triple porosité

La stratigraphie est caractérisée par une alternance de formations calcaires et de formations marneuses et argileuses très peu perméables qui permet le développement de deux aquifères

superposés, respectivement dans les calcaires de Bajocien et du Bathonien, séparés par les

marnes à Ostrea acuminata. Les noms de nappe inférieure et nappe supérieure sont employés (figure 1.12). L’analyse de carottes de roche a permis d’estimer les épaisseurs moyennes des deux nappes. Ainsi, l’épaisseur moyenne de la nappe supérieure est de 10 m, l’épaisseur de sa zone non saturée varie fortement sur le site, atteignant 70 m sur la partie haute du dôme topographique. Pour la nappe inférieure, la moyenne de l’épaisseur de la zone non saturée est de 16 m et l’épaisseur de la zone saturée d’environ 24 m. L’infiltration de la nappe supérieure vers la nappe inférieure par drainance verticale est faible en raison de la faible perméabilité des marnes à Ostrea acuminata. Néanmoins, au niveau des zones à fortes discontinuités géologiques, la nappe supérieure peut être en contact avec la nappe inférieure, ceci peut induire des pertes d’eau de la nappe supérieure vers la nappe inférieure.

Une carte piézométrique de l’aquifère de la nappe supérieure réalisée à partir de 27 points de mesure (sources et forages) est présentée sur la figure 1.13. Cette carte permet de visualiser le sens majeur des écoulements et souligne la forme de “dôme” de la surface piézométrique. En milieu karstique, des écoulements peuvent avoir lieu dans les autres directions par les réseaux de fractures et de conduits.

Figure 1.13: Carte piézométrique de la zone d’étude.

L’histoire sédimentaire et tectonique de la zone d’étude confère aux calcaires une triple porosité : une porosité de matrice liée à la structure interne des calcaires, une porosité de fracture liée à l’histoire tectonique de la région et aux nombreuses failles et blocs basculés présents sur la zone, et une porosité de conduits liée à la karstification par dissolution des calcaires (figure 1.14).

Figure 1.14: Les différents types de porosités observables sur le site d’étude : fractures à l’échelle d’une carotte de roche (a), réseau poreux matriciel intergranulaire sur lame mince (b) et karsts plurimétriques à l’affleurement (c et d).

1.2.4.1 Porosité de matrice

La conductivité hydraulique et la porosité de la roche constituant les différentes couches strati- graphiques ont été mesurées à l’aide d’un perméamètre à air et par porosimétrie mercure. Les méthodes sont rappelées dans l’annexe 1 (Alban, 2010, 2011). Afin d’approcher les propriétés réservoirs du sous-sol du site d’étude, la totalité des informations pétrophysiques mesurées pour chaque couche a été moyennée. La densité de stylolithes observées sur les sondages carottés est aussi prise en compte. La figure 1.15 illustre les résultats obtenus.

L’étude stratigraphique a permis de caractériser les calcaires caractéristiques des aquifères étu- diés à l’échelle matricielle et d’en déduire leurs propriétés réservoir. Ainsi, la porosité totale de ce milieu matriciel est de l’ordre de 10 % en volume et la conductivité hydraulique est en moyenne de 4.10-8 _{m/s (Lassus & Loisy, 2006; Cerepi & Loisy,2008, 2009).}

Plus précisément, à l’échelle matricielle, les calcaires à entroques (J1a-b) présentent une porosité efficace importante malgré une faible porosité totale. Du toit des marnes (J1c1) au toit des calcaires comblanchoïdes (J2b), il est possible d’identifier deux ensembles. Le premier s’étend du toit des marnes J1c1 au toit des oolithes blanches (J2a-b2). L’augmentation croissante de la taille des pores vers le haut de cet ensemble aboutit à une porosité importante de 16 % (7 % de porosité efficace) dans les unités J2a-b1 et J2a-b2. L’accroissement de la perméabilité et de la taille des pores se corrèle à l’augmentation de la porosité. Le deuxième ensemble, les calcaires comblanchoides, se caractérise par une porosité totale de 5 %, la porosité liée et la perméabilité intrinsèque y sont très faibles (figure 1.15).

Figure 1.15: Propriétés réservoirs par unité lithostratigraphique (Alban, 2010)

Dans l’unité J2a2, de nombreuses stylolithes sont identifiables. Les stylolithes de type diagéné- tique ne permettent pas de conclure sur d’éventuelle propriété réservoir. Cependant, l’essai de perméabilité à l’air effectué sur un échantillon traversé par une stylolithe tectonique recristal- lisée et partiellement karstifiée (ouverture de l’ordre du demi-millimètre) donne une valeur de perméabilité intrinsèque de 2,01.10-7 _{m/s dans l’unité du comblanchoïdes qui contraste avec la} valeur matricielle de 9,6.10-9 _{m/s (Alban, 2011).}

1.2.4.2 Porosité de fractures

De nombreuses fractures (figure1.14), témoins de la tectonique passée qui a impacté les calcaires du Bathonien et du Bajocien sont identifiables sur le site d’étude, en affleurement ou sur des sondages. L’ouverture ainsi que le pendage ont pu être mesurés. L’estimation de la porosité de fracture est très difficile en raison de la forte hétérogénéité de la fracturation sur le site d’étude. Néanmoins, on observe que l’ouverture des fractures varie du mm jusqu’à atteindre 20 cm pour certaines. La majorité d’entre elles sont de l’ordre de quelques centimètres, avec une moyenne de 3 cm pour 654 fractures observées. Il est difficile d’établir un lien entre taille des fractures et lithologie, cependant, on peut noter que les fractures le plus ouvertes observées se situent dans

la couche sédimentaire J2a2. Sur 18 affleurements de roche observés sur le site, l’écartement moyen entre les fractures est de 2 m, mais celui-ci varie de façon significative entre 0,10 et 9 m.

1.2.4.3 Porosité de conduits

Régionalement, des conduits karstiques de diamètre important ont pu être identifiés. Sur le site, des conduits karstiques de tailles variables mais ne dépassant par quelques mètres ont pu être observés à l’affleurement (figure1.14) ou par sondage géologique (au niveau des forages F7 et C4). Aucune cavité souterraine permettant une reconnaissance spéléologique n’est connue sur le site. D’un point de vue stratigraphique, la karstification la plus intense se situe dans le Bathonien. Des traçages artificiels ont été effectués à différents endroits du site, ces traçages ont permis de mesurer une vitesse modale variant entre 15 et 555 m/j (Antea, 2010).

Le site d’étude est caractérisé par trois types de porosité, plus exactement une distribution de la taille des vides, du micrométrique pour la matrice au métrique pour les conduits. Cette distribution induit une distribution de la perméabilité au sein de l’aquifère, avec une perméabilité beaucoup plus importante dans les conduits et les fractures. La localisation précise des conduits karstiques et des fractures est très difficilement cartographiable malgré une quantité importante d’affleurements et de sondages analysés, en raison de la forte hétérogénéité du milieu.