Les caractéristiques du site d’implantation
1.3 Une représentation maîtrisée des écoulements des eaux dans les formations encaissantes du Callovo-Oxfordien
Le système hydrogéologique (i.e. d’écoulement des eaux) au droit du site de Meuse/Haute Marne et plus particulièrement au droit de la ZIRA est un système multicouches constitué (Figure 1.3-1) :
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d’aquifères dans les formations des calcaires du Barrois, de l’Oxfordien calcaire, du Dogger et du Trias inférieur et supérieur ;•
de formations ou niveaux semi-perméables : le Kimméridgien marneux, le Callovo-Oxfordien, les formations argileuses du Lias et les niveaux argileux et évaporitiques du Trias moyen.Sur la zone de transposition, les écoulements dans les encaissants sus et sous-jacents immédiats du Callovo-Oxfordien (Oxfordien calcaire et Dogger) sont indépendants du fait même des caractéristiques hydrauliques et de l’épaisseur du Callovo-Oxfordien.
En dehors de la zone de transposition, ce système aquifère comporte des failles hydrauliquement actives comme celles de la Marne et de Poisson (Figure 1.3-1), orientées parallèlement aux contraintes tectoniques majeures, des failles moins drainantes jouant le rôle plutôt de barrières hydrauliques comme les failles de Gondrecourt Nord et les failles de Joinville dont l’orientation NE-SO est perpendiculaire à la direction des contraintes tectoniques majeures ainsi qu’une zone de fracturation diffuse, dite zone de fracturation diffuse de Marne-Poisson, relativement active sur un plan hydraulique au Sud-Ouest de la zone de transposition.
Zone colmatée
Zone intacte Zone intacte
Figure 1.3-1: Représentation conceptuelle des écoulements dans les différentes formations géologiques du secteur de Meuse/Haute-Marne
1.3.1 Le système aquifère superficiel des calcaires du Barrois
Les calcaires du Barrois constituent un système aquifère karstique constitué de trois formations aquifères (calcaires sub-lithographiques, calcaires de Dommartin et calcaires cariés) séparées par des formations semi-perméables (Pierre Châline et Oolithe de Bure). Les écoulements sont organisés dans chacune des trois formations aquifères par la fracturation et un réseau de conduits karstiques de direction nord nord-ouest. Des conduits karstiques verticaux mettent en relation, localement, ces aquifères.
Au droit de la ZIRA, seuls les aquifères des calcaires sub-lithographiques et des calcaires de Dommartin inférieurs et moyens sont présents. Les calcaires de Dommartin supérieurs et les calcaires cariés sont présents seulement sur les points hauts du secteur et constituent une zone désaturée. L’aquifère des calcaires sub-lithographiques devient captif sous la Pierre Châline et les forages de la vallée de l’Ormançon et de l’Orge sont artésiens en hautes eaux.
Dans les zones plus carbonatées, la perméabilité peut être importante voire élevée lorsque les calcaires sont fracturés et karstifiés. Les tests de pompage réalisés en forages au niveau du Laboratoire souterrain indiquent une perméabilité moyenne de l’ordre de 10-6 m/s représentative des calcaires sub-lithographiques, seule formation recoupée par ces forages, en regard de quelques 10-4 m/s indiqués par la Banque du Sous-Sol du BRGM sur la base de tests de pompage menés dans les calcaires les plus karstifiés.
L’écoulement général des deux aquifères du Barrois sur la ZIRA (calcaires sub-lithographiques et des calcaires de Dommartin inférieur) est dirigé vers le Nord, en lien avec la topographie et les cours d’eau.
Les vitesses d’écoulement sont de l’ordre de 10 km/an. La piézométrie simulée à l’actuel indique un gradient hydraulique de l’ordre de 0.2 % sur les plateaux alors qu’au droit des vallées il peut atteindre 1 %.
Les principaux exutoires naturels des calcaires du Barrois sont les sources situées dans la Vallée de la Saulx et de l’Ornain.
1.3.2 L’Oxfordien calcaire
L’Oxfordien calcaire est constitué (i) de calcaires qui intègrent des variations lithologiques traduites par l’occurrence d’horizons poreux (Hp) et (ii) d’une série grise argilo-marneuse.
Les horizons poreux sont caractérisés par des porosités et des perméabilités variant respectivement entre 13 % et 25 % et entre 10-9 m/s et 10-7 m/s. Verticalement, dans la partie Nord-Est de la ZT, les quatre premiers niveaux (Hp1 à Hp4) constituent la nappe dite de l’Oxfordien moyen et les trois derniers niveaux (Hp5, Hp6 et Hp7) la nappe dite de l’Oxfordien supérieur.
Dans la partie Nord-Est de la ZT, la nappe de l’Oxfordien moyen est séparée de celle de l’Oxfordien supérieur par le semi-perméable que constituent les marnes de la série grise (Figure 1.3-2).
Figure 1.3-2 : Structure verticale du système aquifère de l’Oxfordien calcaire. Les couleurs correspondent aux différents niveaux poreux (violet, jaune, marron). La présence des marnes est représentée en orange et rouge
Dans la partie Sud-Ouest de la ZT, l’épaisseur négligeable ou l’absence de ce semi-perméable fait que l’ensemble des formations de l’Oxfordien calcaire y compris les horizons poreux ne forment qu’une seule nappe avec globalement un seul champ d’écoulement.
Ainsi, les transmissivités des horizons poreux sont faibles, de l’ordre de :
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10-7 m2/s pour Hp1 à Hp4, de 10-8 m2/s pour Hp5, et de 10-8 m2/s à 10-7 m2/s pour Hp6 et Hp7 dans la zone où ils sont bien séparés par la série grise ;•
10-8 m2/s à 10-7 m2/s là où les Hp ne constituent qu’une seule nappe aquifère.La recharge en eau de l’Oxfordien se fait principalement par les affleurements à l’Est et au Sud-est du secteur. Les circulations d’eau sur le secteur se font préférentiellement vers le centre du bassin suivant une direction Nord-Ouest.
Les vitesses de pore de l’ordre de 1 km par 100.000 ans sont confirmée par l’analyse d’éléments chimiques radioactifs dans les eaux (14C, 36Cl), à partir de la connaissance de leur teneur dans les eaux de pluie et de leur décroissance radioactive, pour un gradient de charge hydraulique horizontal globalement homogène et constant de l’ordre de 0,04 m/m.
L’alimentation de la zone de failles N150°E (failles de la Marne) se fait directement par infiltration dans les réseaux karstiques qui se sont développés sur la partie de ces failles recoupant l’Oxfordien à l’affleurement. La piézométrie et la salinité y sont différentes de celles du reste du secteur d’étude en fonction des connexions existant dans le réseau de failles. Les écoulements y ont une direction globalement SE-NO
Au droit de la ZIRA, du fait de sa faible perméabilité, de l’ordre de 10-12 m/s et de son extension limitée à la partie Nord-Est de la zone de transposition, la série grise structure l’aquifère de l’Oxfordien en deux nappes ayant chacune son champ d’écoulement propre :
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la nappe de l’Oxfordien supérieur présente des charges variant de 305 m à 280 m. Les écoulements sont orientés en directions Nord et du Nord-Ouest avec un gradient hydraulique moyen de 4 % ;•
la nappe de l’Oxfordien moyen présente des charges variant de 295 m à 270 m soit un gradient horizontal de 0,6 %. Les écoulements sont orientés vers le Nord-Ouest avec un même gradient de charge hydraulique moyen de l’ordre de 4 %.Figure 1.3-3 : Piézométries simulées des deux nappes de l’Oxfordien calcaire (nappe de l’Oxfordien supérieur à gauche) -Piézométries latérales de l’Oxfordien calcaire moyen et supérieur
1.3.3 Le Dogger
L’aquifère du Dogger, représenté par les formations du Bathonien, est caractérisé par une hétérogénéité de faciès qui se traduit par une forte variabilité locale de la transmissivité (10-5 m²/s à 10-10 m²/s) sur la Zone de Transposition.
Les venues d’eau du Dogger observées en forages sont rares et sont localisées dans les niveaux supérieurs du Bathonien. Elles sont associées, en dehors des zones fracturées, à des horizons poreux situés dans des calcaires granulaires d’environnement de barrière récifale. Les transmissivités élevées mesurées au droit d’un seul forage au centre de la zone de transposition (10-5 m²/s) sont caractéristiques des grainstones peu cimentés avec une macroporosité bien connectée. Ces niveaux, présents sur une vingtaine de mètres, dont la porosité est relativement faible (10 à 15 %), ont une distribution spatiale qui paraît liée à des modifications diagénétiques précoces associées à des émersions jouant un rôle dans la préservation de la porosité. La distribution et l’extension de ces niveaux sont de fait difficiles à définir. De même, leur faible épaisseur est difficilement détectable en sismique.
La recharge s'effectue principalement par les affleurements à une trentaine de kilomètres à l’Est de la ZT. Il n'existe pas d'exutoire naturel de cette formation sur la ZT. La zone principale des écoulements est contrainte par la structure de la ceinture des faciès de barrière récifale, où peuvent se développer potentiellement des niveaux poreux et perméables, localisés au centre de la ZT sur un axe qui part depuis les affleurements au Sud vers le NNO. La vitesse de déplacement de l’eau est plus rapide que dans l’Oxfordien : les écoulements sont globalement orientés vers le Nord-Ouest (Figure 1.3-4 ), avec un gradient hydraulique moyen de 0,1 %, soit une vitesse de pore de l’ordre de 5 km par 100.000 ans dans les zones transmissives.
Figure 1.3-4 : Piézométries simulées dans le Dogger