Mise en évidence des différents chemins d’écoulements

3.2.3.1. Cas général

La variabilité spatiale des paramètres physico-chimiques de l’eau souterraine du massif de l’Ursuya peut donc être attribuée à la fois au temps de résidence dans le sous-sol et aux différents matériaux géologiques rencontrés. Ces différentes couches constituant le système aquifère vont également impacter les modes d’écoulement de l’eau souterraine.

Les différentes couches du profil d’altération décrites au chapitre 1 ont chacune leurs propres propriétés hydrauliques, qui définissent les conditions d’écoulement des eaux souterraines. Dans la couche de roche fissurée, l’eau circule majoritairement le long de fissures et de fractures ouvertes, et les écoulements sont principalement gouvernés par les propriétés physiques de la roche et de ses hétérogénéités comme l’ouverture, l’espacement et la connectivité (Chapitre 1 ; Singhal et Gupta, 1999 ; Berkowitz, 2002 ; Cook, 2003 ; Neuman, 2005). Quand la roche fissurée est à l’affleurement, ces conditions sont combinées pour permettre un écoulement rapide des eaux souterraines en conditions non captives.

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Au contraire, la couche d’altérites agit comme un milieu poreux qui possède une fonction plus ou moins importante d’emmagasinement (Mazurek et al., 1996 ; Taylor et Howard, 2000 ; Bonnet et al., 2001 ; Berkowitz, 2002 ; Aquilina et al., 2004 ; Maréchal et al., 2004 ; Wyns et al., 2004 ; Ayraud et al., 2008) et entraine donc des temps de séjour plus longs.

La géochimie des eaux circulant dans les altérites est caractérisée par des concentrations en éléments terrigènes et une minéralisation globale plus importante, du fait d’un temps de transit plus long et d’une solubilité plus importante des matériaux traversés. Ces temps de séjour et cette minéralisation sont cependant nuancés en fonction du degré d’altération. Les différents degrés d’altération définis dans cette couche (chapitre 1) résultent en des épaisseurs très variables d’altérites et en des propriétés hydrodynamiques plus ou moins favorables à l’écoulement.

Dans le cas d’un degré d’altération faible, les propriétés hydrodynamiques permettent la circulation de fluide dans les altérites, mais également dans l’horizon fissuré sous-jacent. Dans ce cas, un mélange entre des eaux circulant dans ces deux horizons est possible. Lorsque le degré d’altération est fort et l’épaisseur importante, les altérites peuvent être imperméables et agir comme une barrière hydraulique. Dans ce cas, les flux dans cette couche vont être faibles à nuls. Les écoulements souterrains sont alors possibles uniquement dans les matériaux sous-jacents moins altérés ou non altérés (roche fissurée notamment). Dans ce cas, la minéralisation de l’eau est très différente de celle circulant dans la roche fissurée à l’affleurement. Les temps de transit sont plus longs et il est probable que l’eau se soit chargée en minéraux lors de son parcours dans le sous-sol, en traversant une couche d’altérites perméable avant d’atteindre la roche fissurée sous-jacente.

Ces différents milieux et modes d’écoulements sont bien représentés sur le massif de l’Ursuya et peuvent être observés sur la Figure III-25. Celle-ci montre la relation entre les âges apparents (et le modèle de mélange associé) et les horizons d’écoulement.

Dans la zone fissurée à l’affleurement, seul le modèle exponentiel est utilisé et les âges apparents sont proches les uns des autres, avec des MRT entre 10 et 15 ans. Ces valeurs confirment les écoulements rapides et les conditions non captives décrits ci-dessus. La géochimie des eaux souterraines de cet horizon est caractéristique d’un transfert rapide avec une faible minéralisation.

Dans les altérites, le modèle piston et celui du mélange binaire sont appliqués. Quand le degré d’altération est fort, le mélange n’est pas possible entre les eaux présentes dans les altérites et celles circulant dans la roche fissurée sous-jacente. Le modèle piston représente parfaitement cette situation. Sur la Figure III-25, l’âge apparent des eaux des sources H2 et La16l est relativement faible par rapport aux autres sources émergeants dans les altérites. Dans ce cas, nous pouvons conclure à la présence d’altérites de faible épaisseur (du fait de l’érosion par exemple) permettant des écoulements significatifs à faible profondeur malgré un fort degré d’altération. A l’inverse, les mélanges binaires donnent une bonne approximation d’un mélange entre des eaux issues des altérites et de la roche fissurée sous-jacente.

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Les âges apparent calculés avec le modèle mélange binaire sur le massif de l’Ursuya sont le résultat d’un mélange entre des eaux circulant dans des altérites faiblement développées et des eaux plus anciennes s’écoulant dans l’horizon fissuré sous-jacent après un long temps de séjour.

Figure III-25. Ages apparents des eaux souterraines émergeants des altérites et de la roche fissurée et captées par les forages

La différence entre ces deux derniers milieux d’écoulement est bien illustrée par la comparaison entre les forages Pe4, Pe5 et la source Pe18. Les investigations menées sur ces trois points de mesures sont détaillées dans le paragraphe suivant.

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3.2.3.2. Focus sur un exemple type

Les diagraphies de qualité de l’eau effectuées au sein du puits Pe4 ont mis en évidence l’existence de deux niveaux d’écoulement, sans mélange entre les deux (Figure III-21). Le premier niveau (0 à 25 m de profondeur) correspond au milieu altéritique avec des eaux présentant une conductivité de 110 µS cm^–1. Cette minéralisation est comprise dans la gamme des eaux de source circulant dans les altérites (Tableau III-7 et Figure III-23).

Le second niveau correspond à l’horizon fissuré sous-jacent aux altérites. Ce niveau a été prélevé pour les mesures de concentrations en CFC et SF6. La conductivité électrique est plus importante (200 µS cm^–1) et l’âge apparent est élevé (modèle piston : 42 ans). Enfin, un essai de pompage conduit en 2010 a indiqué l’existence de conditions d’écoulement semi-captives. Le processus de dénitrification décrit au paragraphe 3.2.1.1 est un autre indice de ce confinement.

Au contraire, les eaux souterraines au sein du forage Pe5 ont un âge apparent dans la même gamme que les sources émergeant dans les altérites (mélange binaire avec 45 % d’eau de 25 ans), de même que la minéralisation (64 µS cm^–1) et l’ensemble des paramètres physico-chimiques mesurés (Tableau III-4). Ces paramètres sont stables sur toute la colonne d’eau. Ces deux puits sont géographiquement très proches l’un de l’autre (environ 100 m) ainsi que de la source Pe18 (Figure I-22 et Tableau I-6). De plus, les caractéristiques physico-chimiques des eaux de Pe5 et de Pe18 sont également très similaires (Tableau III-4). Des diagraphies de flux effectuées au cours de l’été 2011 dans le forage Pe5 ont montré que les arrivées d’eau sont localisées dans les 15 premiers mètres sous la surface du sol, dans les altérites. Par conséquent, l’eau émergeant de Pe18 est la même que celle captée par le forage Pe5. Dans ce cas, il n’y a aucun signe de confinement. Le mélange binaire observé dans les eaux de ce puits et de cette source correspond à un mélange entre une eau infiltrée dans des altérites peu développées et une eau plus ancienne circulant dans la roche fissurée sous-jacente.

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