IRIPORTANCE HYDROLOGIQUE DES FRACTURES

Si l’on ne prend pas en considération la couche altérée et ses caractéristiques hydrologiques particulières, on peut affirmer que la capacité d’emmagasinement des aquifères des roches dures du socle dépend de la porosité des fractures. Ceci est une caractéristique générale qui se retrouve de même façon dans tous les types de roches dures. Cette caractéristique est modifiée par les processus d’altération et influencée par les propriétés hydrauliques de tout type de matériau remplissant les fractures. Ces deux derniers facteurs sont fortement influencés par les conditions géologiques, topographiques et climatiques locales.

La capacité d’emmagasinement des roches dures dépend du degré relatif de fracturation que chaque type particulier de roche permettra. Ainsi on pourra distinguer l’existence d’une capacité

d’emmagasinement sélective. En analysant cette caractéristique, les auteurs ont utilisé des termes de terrain appropriés tels que ‘roche sèche’ ou ‘roche résistante’, ‘roche tendre’ ou ‘roche fragile’, dont les définitions sont les suivantes:

‘Roche sèche’ ou roche résistante’ (compétente): il s’agit de roches massives avec une faible fréquence de fracture.- Capacité d’emmagasinement faible. ‘Résistante’ indiquerait que les masses rocheuses de cette espace peuvent transférer des contraintes de la croûte terrestre vers les masses rocheuses voisines sans être fracturées elles-même (tels les icebergs qui écrasent les plaques de glaces plus faibles).

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‘Roches tendres’ (incompétentes): ce sont principalement des schistes légèrement métamorphisés, avec une faible résistance aux déformations cassantes. Ces roches sont souvent fortement compressées pour former des brèches et des mylonites. Les fractures sont souvent recouvertes de dépôts

filoniens (chlorite, etc.). Capacité d’emmagasinement généralement faible (voir section 4.1.2).

‘Roches fragiles’ (incompétentes): ce sont principalement des roches acides et intrusives telles que le granite (batholites, etc.) avec des réseaux de fractures bien développés. L’aplite est la roche fragile la plus typique. Capacité d’emmagasinement bonne à très bonne.

Il est à souligner que ces terme ne doivent être employés qu’à l’échelle macroscopique.

2.2.2.1 Capacité d’emmagasinement caractéristique de différents types de roches Les roches intrusive acides telles que les granites, les granodiorites, les aplites, les

porphyres quartzeux et les pegmatites possèdent une capacité d’emmagasinement élevée, car, du point de vue hydrogéologique, ce sont des roches fragiles. Les roches à grain fin sont en général de bonnes roches aquifères. Elle possèdent un type caractéristique de fractures rapprochées. Par contre, les zones granitiques montrent souvent un réseau de fracture qui divisent un ensemble du type plateau en une mosaïque de blocs du socle (figure 2.2.2.1).

Figure 2.2.2.1 Bloc-diagramme dans les granito-gneiss, en Suède méridionale. Le débit de puits est indiqué en litres par heure. (D’après brsson, 1963).

Dans chaque bloc la roche est très peu fracturée et possède, de ce fait, une faible capacité

d’emmagasinement. Ceci est bien illustré par la figure 2.2.2.1 qui indique le débit de nombreux puits forés dans une zone de gneiss granitique en Suède méridiona!e (Larsson, 1963). 11 convient de signaler que les débits mentionnés’dans la figure ne furent pas obtenus à partir de tests de pompage conventionnels. Ce sont des débits approximatifs donnés par le foreur à la fin du forage du puits.

Malgré ce manque de précision, la différence entre les débits relevés au sein des blocs granitiques et ceux des puits situés dans les zones de fractures est tout à fait évident.

Les intrusions de pegmatites sont le plus souvent très friables et par conséquent hautement perméables. La taille des grains demeure l’élément essentiel. Plus le grain est gros plus la pegmatite est friable et plus la roche est friable plus le débit potentiel d’eau souterraine est élevé, étant entendu qu’il y a eu effectivement recharge de la nappe.

Les roches intrusives basiques telles que les diorites et les gabbros ont en général une faible

capacité d’emmagasinement. Les roches basiques peuvent être considérées, en termes de terrain, comme des roches résistantes et, de ce fait, elles sont des aquifères médiocres.

Les dikes basiques se comportent en aquifères plutôt médiocres en raison des faibles

interconnections entre le dike et la roche environnante. Cependant, la zone de contact entre le dike et la roche encaissante comporte souvent des fractures ouvertes de haute capacité d’emmagasinement.

Cette caractéristique résulte habituellement d’une rétractation thermique au moment du refroidissement du dike, et par conséquent des fissures ouvertes se sont créés entre le dike et la roche encaissante.

La limite à grain fin entre les deux types de roches est plus fracturée que la partie interne du dike.

Les dikes possèdent une autre caractéristique qui peut être d’importance locale en ce qui

concerne les eaux souterraines. Il se comportent couramment comme des barragessouterrains, divisant ainsi la roche en deux unités hydrauliques distinctes. Si une pente montagneuse est coupée par un ensemble de dikes suivant plus ou moins parallèlement les courbes de niveau, les dikes formeront barrage pour le flux d’eaux souterraines, provoquant l’apparition de sources (figure 2.2.2.2)

Figure 2.2.2.2 Effet de barrage de dikes, sur un flanc montagneux

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Roches métamorphiques

Les roches métamorphiques peuvent être considérées, dans leur ensemble, comme ayant une faible capacité d’emmagasinement en comparaisan avec les roches intrusives. Ceci apparaît dans la figure 2.2.2.3 dans laquelle sont comparés les débits de puits farés dans le granite avec ceux fur& dans le gneiss. En particulier, pour un groupe danné de 205 puits forés dans le gneiss, 25, suit 12% étaient secs. Par contre, dans le granite, sur 170 puits forés, 5 seulement, suit 3% étaient secs.

Les régians à gneiss fortement plissés possèdent d’ardinaire des aquifères médiocres. Ce type de roche est souvent capable de résister à des contraintes tectoniques et se trouve habituellement mains fracturé. Par contre, les zones à migmatites peuvent être très prometteuses et se camportent plus ou moins comme des granites.

no. de puits

4 ^GNEISS

IIII. * ’ n

1 1 1 1 I 1 II I-1 11

60-i. 1 I / Il

2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000

;RPINITE litres/heure ^puits secs

40 i

30 20 i 10

0 ti l . I . I

’ 20100 ’ 4000 ’ 6000 I I 80100 II 10000 I Il 12000 14~~~ Ill 16000 III 18000 20000 22000.‘1 “O. de

litres/heures secs

Figure 2.2.2.3 Débits de puits furés dans une zone de granites et une zane de gneiss en Suède (d’après Larssun, 1977). (Reproduit avec l’autorisation de I’Associatiun Suédoise pour IlHygiène de l’Eau).

En général les roches hautement métamorphiques sont très compactes et les fractures scmt très disséminées. La roche est à peu près étanche et le plus souvent un aquifère médiocre. Elle peut se cumporter comme une barrière en empêchant l’écoulement de l’eau contenue dans les zones de recharge vers les zones à haute perméabilité où leur exploitation peut être envisagée. De plus, les

caractéristiques des zones de gneiss sont telles que le débit de puits est inférieur à 2mYh, et rarement plus de 6mYh. Dans les régions granitiques de nombreux puits ont un faible débit sans doute parce qu’ils sont situés dans des blocs massifs. Par contre, quelques puits ont un débit atteignant 20mVh parce qu’ils pénètrent probablement dans des zones de fractures.

2.2.2.2 Caractéristiques des capacités d’emmagasinement de divers types de fractures.

Introduction

Du point de vue hydrogéologique on peut identifier trois types principaux de fractures dans les roches dures:

1. Les joints de tension (jointure ac’) se rapportant aux déformations plastiques (figures 2.1.2.6 - 2.1.2.8 et 2.1.2.9)

2. Les fractures de tension (fracture ac?) se rapportant aux déformations cassantes (figures 2.1.2.18 et 2.1.2.22)

3. Les fractures de cisaillement (hK0 et h01) se rapportant aussi aux déformations cassantes.

Les joints de tension (ac’)

Le schéma caractéristique ‘en échelon’ des jointures ac’ a déjà été décrit dans la section 2.1.2.3. Ce système, avec faibles interconnections entre chaque fracture séparée correspond à une capacité d’emmagasinement très faible. Le réseau des jointures ac’ implique une faiblesse de la roche dans le plan acr. Cela signifie que les déformations cassantes postérieures ont pu ‘utiliser’

cette surface faible au moment de la diminution des tensions. Ceci est illustré par la figure 2.2.2.4.

La conductivité capillaire d’une telle zone de fractures peut être considérable. Dans le cas illustré ci-dessous, la fracture contient probablement de l’eau salée en provenance de la mer Baltique. Par suite de faibles interconnections, même entre des jointuresifractures régénérées décrites ci-dessus, on classera cette sorte de roche dans la catégorie des aquifères médiocres.

Figure 2.2.2.4 Type de tectonite B dans un granito-gneiss de la région de Stavsnas, archipel de Stockholm. Joints acl, fréquents dans la roche. Joints secondaires dans une zone de fractures (au bas de l’escalier).

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-_II_ -<“_ - - - . .

Les fractures de tension (ac2)

Ce type de fracture possède généralement une capacité d’emmagasinement élevée par suite de son origine. De telles fractures jouent le rôle de gros tuyaux collecteurs d’eau en provenance de

fractures mineures du même système. Quelques exemples sont illustrés par les figures 2.1.2.19 et 2.1.2.22. La géologie de la zone de fractures de tension décrite dans la figure 2.1.2.19 a été exposée dans la section 2.1.2. Dans les deux forages (indiqués par X sur la carte), un débit

d’environ 10 Vs a été obtenu avec une dépression de 60 mètres. Les précipitations sont d’environ 500 mm dans la région et I’évapotranspiration annuelle est d’environ 400 à 500 mm.

Une région granitique de la côte sud de la Sardaigne est l’objet de la figure 2.1.2.22. Le réseau principal de fractures cassantes est pratiquement similaire au modèle de la figure 2.1.2.21.

Une zone importante de fractures de tension, parallèle à un ensemble de dikes lamprophyriques a été ouverte dans la roche. L’orientation de cette déformation est sensiblement S.E.-N.O. Des fractures de cisaillement de diverse nature se sont développées de part et d’autre de la direction des fractures de tension centrales (Barrocu et Larsson, 1977).

D’après les résultats des études hydrologiques et des tests de forage et de pompage entrepris dans tous les types de fractures, la capacité d’emmagasinement de l’ensemble des systèmes de fractures a été calculée. En supposant que toutes les fractures aient une profondeur minimum de 10 mètres, un volume des vides correspondant à 0,6% du volume de la roche a été supposé disponible pour une entrée et une sortie d’eau. Si ce système de fracture pouvait être fermé à ses points de fuite, une quantité d’environ 30 000 rn” d’eau souterraine pourrait être emmagasinée. Ceci représente une quantité d’eau d’autant plusraiscnnable quela superficie d’alimentation représente seulement 0,4 km2. Dans des régions où la saison de pluie est courte et la tectonique des roches appropriée, ce type

d’emmagasinement souterrain pourrait être utilement pris en considération pour la planification des ressources en eau sur le plan local et régional (Rosén, 1977 - voir section 4.5.11).

Fractures de cisaillement - (hK0, h01)

Le développement des fractures de cisaillement a déjà été étudié dans la section 2.1. La

capacité d’emmagasinement des fractures de cisaillement est un phénomène fort complexe. II semble que la plupart d’entre elles, sinon toutes, soient fortement compressées par des contraintes résiduelles.

Cependant, comme on le voit dans la figure 2.2.5, une forte fracturation des roches dures est habituellement suivie par une intense altération (argiles, smectites). Au cours de ce processus la nature chimique de la roche joue un rôle prédominant (section 2.1.3).

Des cisaillements légèrement obliques et des failles de chevauchement jouent un rôle remarquable en ce qui concerne le débit de l’eau, car ces structurespossèdent le plus souvent un haut pouvoir d’emmagasinement. Les altérations argileuses affectent ces types de cisaillement comme elles affectent tous les cisaillements. Cependant, dans ces roches on a observé des remplissages de graviers affectant les failles de chevauchement plus fréquemment que les cisaillements verticaux ou sub-verticaux. La raison en est inconnue. Les failles de chevauchement ont normalement de bonnes liaisons avec la surface du sol par suite de leur inclinaison (figure 2.2.2.6). Au cours du creusement de cavités souterraines ou de tunnels, ce type de fracture est considéré comme incertain en raison du risque de jaillissements soudains d’eau le long de leurs parois. Si deux ou plusieurs failles de

chevauchement se recoupent les unes les autres, il apparaît un axe d’intersection qui peut fonctionner comme une canalisation de drainage efficace (voir le côté droit du bloc-diagramme de la figure 2.1.2.21).

Des hydrogéologues ont découvert en Chine que des plans de fractures de tension, de cisaillement ou des deux combinés sont d’excellents collecteurs d’eau tandis que les plans de fractures de

compression réagissent comme des aquicludes (Fei Jin, 1980). Avias (1967,1975, 1977) signale

l’importance des fractures de tension (ou de ‘décompression’) pour la capacité d’emmagasinement d’une roche aquifère. Il insiste également sur l’importance de reconnaître les effets hydrogéologiques dus à la surimposition d’une déformation cassante tardive sur une déformation pré-existante avec effet secondaire d’ouverture ou de fermeture de l’ancien système de fractures.

Cisai simpl

Tr@s Compact Semicompact Permeable Permeable

Cisaillements multiples, broyage, graviers, etc

Moyennement permeable

Cisaillements multiples avec

de graviers

iers

Figure 2.2.2.5 Différents stades du développement d’une fracture de cisaillement et de la perméabilité associée.

Znterconnection des fractures

L’importance d’une bonne interconnection entre les fractures dans des roches dures aquifères pour la capacité d’emmagasinement a été signalée précédemment dans la section 2.1. Les roches hautement fracturées peuvent être traitées, pour des calculs hydrologiques, de la même façon qu’un milieu

poreux. Dans des roches possédant des réseaux de fractures plus espacés, la capacité d’emmagasinement des fractures individuelles joue un rôle plus prédominant. Selon la définition générale (voir la

définition des systèmes de joints/faille dans I’Appendice)un système de fractures consiste en deux ensembles, ou plus, de fractures formant un réseau caractéristique. Ceci veut dire que toutes les fractures dans un système se sont mises en place selon le même régime de contraintes. Elles sont syntectoniques. Le réseau de fractures de la figure 2.2.2.7 est un tel système (voir aussi figure 2.1.2.22). Par conséquent, un système de fracture correspond en gros dans la roche à un système hydraulique. Une roche qui a été exposée à deux phases de formations cassantes peut également

constituer un système hydraulique unique si’il existe de bonnes communications entre les deux systèmes de fractures (voir figure 2.1.2.21).

Figure 2.2.2.6 Tranchée de route, avec une faille chevauchante dans un granito-gneiss. La zane de faille, épaisse d’environ 0,2 m est constituée de roches broyées de la taille d’un gravier. Emmagasinement élevé. Noter l’écoulement d’eau sur le côté gauche de la phato (tache noire sur la roche).

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Figure 2.2.2.7 Système théurique de fractures dues à une déformation cassante