Troisième partie : L'eau dans les roches et dans les dépôts meubles

1. Troisième partie : L'eau dans les roches et dans les dépôts meubles La répartition et l'écoulement de l'eau souterraine

2. Origine des eaux souterraines • Les eaux souterraines proviennent essentiellement de l'infiltration dans un terrain des eaux de l’atmosphère et de l’hydrosphère : précipitations, eau des lacs, des océans et des cours d’eau. • Les magmas sont la seule source d’eau neuve ou juvénile. La fusion partielle des roches du manteau ou de la croûte libère l’eau incorporée aux minéraux. • La vitesse d’infiltration varie de 1 mètre par an dans la craie à quelques mètres par heure dans un karst (les conduits de dissolution dans un massif calcaire). Eau souterraine qui sort d’une falaise de grès (Gaspésie)

3. Un aquifère = eau-porteur Adaptation d’une image de Ressources naturelles Canada, Géopanorama du Canada : http://geoscape.nrcan.gc.ca/ • Un aquifère est une formation rocheuse poreuse et perméable capable d’emmagasiner et de fournir une quantité appréciable d’eau souterraine. C’est un contenant. • La partie d’un aquifère où les pores et les fractures sont totalement occupées par l’eau forme la zone saturée de l’aquifère. Dans la zone non saturée les pores et les fractures contiennent de l’air et de l’eau. • L’eau de la zone saturée d’un aquifère, eau capable de s’écouler et qu’on peut capter, forme une nappe d’eau.

4. volume d’eau ………… n = x 100 % volume de la roche La porosité • La porosité désigne l’état d’une roche qui possède des ouvertures (des vides). C’est dans ce sens qu’on parle de porosité primaire, celle due aux pores qui se forment au moment de la naissance de la roche, et de porosité secondaire, celle due aux fractures qui apparaissent dans la roche au cours de sa vie. • La porosité désigne aussi une série de paramètres « n » qui mesurent l’influence de ces ouvertures sur l’eau que peut contenir une roche. Dans tous les cas : • Nous n’aborderons pas le problème de savoir comment on mesure en laboratoire les divers paramètres n.

5. Le n le plus simple est obtenu en utilisant le volume de tous les vides de la roche. C’est la porosité totale. • La porosité totale n’est que de quelques % dans une roche cristalline saine, comme un granite non fracturé. Elle peut monter à plus de 50 % dans un dépôt meuble d’argile. • La porosité totale d’un dépôt de sable et de gravier se situe entre 25 et 40 %. Sa valeur dépend de la forme des particules, de la granulométrie et du tassement. • Notamment, une granulométrie échelonnée (étalée) et un bon mélange des particules donne des porosités plus faibles qu’une granulométrie uniforme (serrée).

6. Ce massif rocheux a acquis au fil du temps une forte porosité secondaire (Cabo Espichel, Portugal).

7. Question Quel avantage tire-t-on dans le cas d’un béton de ciment à utiliser des granulats dont la granulométrie est échelonnée ? Réponse : Une granulométrie échelonnée laisse moins de vides et exige une plus petite quantité de pâte de ciment. Comme le ciment est beaucoup plus cher que les agrégats, on économise beaucoup d’argent. [Un excès de ciment donne aussi un béton dont la surface se fendille excessivement et qui se dégrade plus rapidement.]

8. Une nappe libre ou captive • Une nappe est libre si elle se trouve dans un aquifère qui a une zone non saturée et que sa surface peut monter et descendre librement en fonction des entrées et des sorties d’eau. • Une nappe libre superficielle, qu’on peut donc exploiter avec un puits simple, est dite phréatique (du grec « puits »). • Une nappe est captive si elle se trouve dans un aquifère entièrement saturé recouvert partout, à l’exception de son aire d’alimentation, par une formation de faible perméabilité.

9. Une nappe perchée • Imaginez un grand aquifère qui possède une zone non saturée. Une formation imperméable peut créer un second aquifère dans cette zone. La nappe libre qui occupe ce second aquifère (de temps à autre) est une nappe perchée.

10. La frange capillaire • La surface d’une nappe captive est bien définie, la nappe se terminant au contact de la couverture de faible perméabilité (du plafond du contenant). • La surface d’une nappe libre est moins nette parce que l’eau monte plus haut que la nappe par capillarité (le nom vient du fait qu’on a d’abord étudié cet effet dans des tubes fins comme des cheveux). • La transition de la zone saturée à la zone non saturée se fait donc sur une certaine épaisseur, la frange capillaire. Frange d’un tube de carton trempant dans l’eau Zone saturée

11. En pratique, on peut trouver la surface libre de la nappe en creusant un trou jusqu’à la nappe, c’est-à-dire en enlevant les pores et les fissures où l’eau monte par capillarité. Le niveau de l’eau dans le trou nous indique le sommet de la nappe. • L’eau de la frange a un comportement très différent de celle de la nappe parce qu’elle est en quelque sorte suspendue à la roche. Notamment, elle ne peut pas s’écouler comme l’eau d’une nappe ou être captée par un puits. Aquifère Zone non saturée frange Surface libre Zone saturée nappe

12. Infiltration des précipitations • L’eau de pluie ou l’eau de fonte de la neige se répartit en eau de ruissellement qui participe à l’écoulement de surface et en eau d’infiltration qui pénètre dans les pores et les fractures du terrain. • Dans les premières dizaines de centimètres du terrain, cette eau d’infiltration est retournée en tout ou en partie à l’atmosphère par évaporation et par transpiration des plantes. En France, l’évapo-transpiration correspond en moyenne aux 3/5 des précipitations. Image tirée de L’eau souterraine, Les cahiers de l’Agence de l’Eau Artois-Picardie.

13. L’eau d’infiltration qui franchit la zone d’évapotranspiration rencontre un second obstacle à sa descente dans le terrain. Elle colle aux particules d’humus et d’argile (et à divers autres minéraux) par adsorption ; elle se fait piéger dans les petits espaces vides par capillarité. C’est le phénomène de rétention dont nous avons déjà parlé. • Quand l’infiltration amène une quantité d’eau qui dépasse le volume d’eau de rétention, la force d’attraction de la Terre peut alors attirer l’eau non retenue en profondeur. Cette eau mobile qui s’infiltre par gravité est appelée eau gravitaire.

15. Question L’été, après une période de sécheresse, une petite pluie n’arrive pas en général à alimenter la nappe d’eau d’un terrain comme elle le fait habituellement. Pourquoi ? Réponse : L’eau de rétention ne peut pas s’égoutter, mais elle peut s’évaporer. L’air sec qui circule dans le terrain durant la sécheresse diminue la quantité d’eau de rétention qui se trouve dans le terrain. La première petite pluie doit refaire la réserve d’eau de rétention avant que de l’eau gravitaire puisse alimenter la nappe d’eau.

16. La porosité efficace ne • L’eau gravitaire est l’eau mobile d’un aquifère, celle qui sort par les sources et les puits. On peut l’extraire d’un échantillon initialement saturé par simple égouttage (figure ci-contre), c’est-à-dire en laissant agir l’attraction de la Terre. • La porosité efficace ne d’une roche nous dit combien elle peut contenir d’eau gravitaire : • La porosité efficace d’un dépôt d’argile ayant une porosité totale de 50 % n’est possiblement que de quelques % parce que l’eau est retenue par les très fines particules. La rétention étant moins importante, la porosité efficace d’un dépôt de sable ou de gravier est plus proche de sa porosité totale. volume d’eau gravitaire ne = x 100 % volume de la roche

17. L’écoulement de l’eau souterraine • L’eau souterraine se déplace à cause de l’attraction de la Terre et elle s’écoule toujours de façon à perdre de la hauteur. • Comme le montre la figure, il existe deux types de différence de hauteur qui font s’écouler l’eau d’un réservoir A vers un réservoir B (tant que les niveaux d’eau sont différents). La différence de hauteur d’eau crée une différence de «pression» entre les 2 bouts du tuyau rouge. Différence de hauteur H de l’eau Même hauteur d’eau A A B Différence de hauteur z du fond Même hauteur du fond B

18. La pression Colonne d’air pression atmosphérique • La pression est la force par m2 que l’eau exerce sur les parois d’un réservoir comme celui de droite. • Cette force résulte du fait qu’un «morceau» d’eau doit supporter le poids des morceaux d’eau situés au-dessus de lui dans le réservoir et celui d’une colonne d’air montant jusqu’au sommet de l’atmosphère. • Puisque l’eau résiste à l’écrasement, comme les ressorts utilisés pour la représenter sur la figure, la charge verticale qu’elle supporte l’amène à pousser sur les parois du réservoir. • À la surface de l’eau, la pression résulte du seul poids de l’air, puis elle augmente avec la profondeur. morceau d’eau pression croissante morceau d’eau morceau d’eau morceau d’eau

19. L’exemple ci-dessous devrait vous convaincre que, pour un réservoir ouvert sur l’atmosphère (surface libre), la pression ne dépend que de la profondeur et pas du tout de la forme du réservoir. air air Surface libre pression atmosphérique La pression ne dépend que de la profondeur H depuis la surface libre équivalent à

20. La pression dans une nappe • La complexité du réservoir n’ayant pas d’importance, la discussion précédente s’applique à une nappe d’eau qui occupe un réseau de fractures et de pores dans un terrain. Si l’eau est stagnante (immobile) comme dans la discussion. • Elle s’applique à une nappe libre malgré sa frange capillaire. En effet, l’eau de la frange ne pèse pas sur l’eau de la nappe. • Elle s’applique aussi à une nappe captive puisqu’elle a nécessairement en quelque part une aire d’alimentation ouverte sur l’atmosphère. Aire d’alimentation aquifère surface libre = pression atmosphérique H Nappe stagnante La pression dépasse la pression atmosphérique et ne dépend que de H

21. Si l’eau de la nappe est en mouvement, cela ne change rien à la surface libre. Comme celle-ci est en contact avec l’atmosphère (par le réseau de fractures et de pores du terrain), la pression reste la pression atmosphérique. • Le mouvement diminue cependant la pression pour un point P de la nappe situé sous la surface libre. On peut mesurer cette pression ainsi : on enfonce un tube ouvert aux deux bouts dans le terrain jusqu’au point P ; on laisse l’eau de la nappe monter dans le tube et se stabiliser ; l’eau du tube étant stagnante, la pression est fixée par la profondeur H du point P depuis la surface de l’eau dans le tube. Ce tube est un piézomètre (= pression-mesure).

22. nappe libre surface libre : pression atmosphérique Formation de faible perméabilité nappe captive Formation de faible perméabilité 2 P2 1 P1 Principe du piézomètre. La pression dans l’eau en mouvement, aux points P, est fixée par la profondeur H de l’eau dans chaque piézomètre. L’eau du tube agit comme un bouchon, son poids équilibrant la poussée vers le haut créée par la pression qui existe à l’extrémité inférieure du tube.

23. Question Pour faire des mesures précises le tube d’un piézomètre doit avoir un diamètre qui dépasse 1 cm. Quel est la source d’erreur si le tube est plus fin ? Réponse : Avec un tube fin la force capillaire fait grimper l’eau dans le tube plus haut que la hauteur nécessaire pour créer la pression qu’on cherche à mesurer. Plus le tube est fin et plus l’erreur est grande.

24. La charge hydraulique h • La charge hydraulique h en un point P d’une nappe combine les deux hauteurs évoquées précédemment. L’eau de la nappe s’écoule d’un point P1 vers un point P2 seulement si elle perd ainsi de la charge hydraulique. • h = z + H où z est l’altitude du point P mesurée depuis une référence quelconque et H est la profondeur de l’eau dans un piézomètre enfoncé jusqu’au point P. Si on préfère, h est l’altitude de la surface de l’eau dans le piézomètre. • Dans une nappe stagnante, la surface libre est horizontale et l’eau dans un piézomètre se stabilise à cette hauteur. La figure montre que cela donne la même charge hydraulique partout. Cela est normal puisque l’eau ne bouge pas. H2 surface libre contenant rempli de sable H1 h = z1+H1 = z2+H2 z2 z1 référence (z=0)

25. Puisque la pression est partout atmosphérique à la surface d’une nappe libre (H = 0), cette surface doit pencher dans le sens de l’écoulement pour que z (et donc h) diminue. • Dans le cas d’une nappe captive, c’est la surface de l’eau dans une série de piézomètres qui doit pencher dans le sens de l’écoulement. nappe libre nappe captive h3 h1=z1 h2=z2 h2 h1 référence (z=0)

26. Question On remarque sur une image utilisée plus tôt que la nappe libre est rabattue (enfoncée) autour d’un puits qui en tire activement de l’eau. Pourquoi cet enfoncement est-il nécessaire ? Réponse : Le puits étant actif, l’eau s’écoule vers lui (flèches blanches). Or, l’eau ne s’écoule que si cela lui fait perdre de la charge hydraulique. Comme l’eau de surface ne peut pas perdre de profondeur (H=0), elle doit perdre de l’altitude z en direction du puits.

27. La surface piézométrique • Nous venons de voir que l’eau d’une nappe s’écoule dans la direction où sa surface libre réelle ou équivalente (dans des piézomètres) penche. • On parle de surface piézométrique. Pour une nappe libre, c’est simplement la surface de l’eau de la nappe. Pour une nappe captive, c’est la surface de l’eau dans une série de piézomètres enfoncés jusqu’à la surface de la nappe. • L’eau de la partie captive d’une nappe est située en profondeur (par rapport à l’aire d’alimentation) et sa pression dépasse toujours la pression atmosphérique. Elle va donc monter dans un piézomètre. La surface piézométrique de la partie captive d’une nappe se trouve donc toujours plus haut que le plafond sur lequel bute l’eau.

28. Dans cet exemple, on a une nappe captive où l’eau stagne. La surface libre dans l’aire d’alimentation est horizontale et la pression dans l’eau est fixée par la profondeur sous cette surface. En suivant le plafond de la partie captive, chaque diminution d’altitude z est exactement compensée par une augmentation de profondeur H. C’est ainsi que la surface piézométrique reste partout horizontale (pas d’écoulement) et au-dessus du plafond. aire d’alimentation plafond

29. Dans cet exemple, l’eau de l’aquifère se déplace de droite à gauche. La surface piézométrique doit donc monter progressivement vers la droite. Elle suit d’abord la surface libre de la nappe. On pourrait trouver sa position en creusant des trous et en observant le niveau des mares d’eau. Le plafond de la partie captive ayant une altitude constante, c’est par une augmentation progressive de la pression vers la droite que la charge hydraulique poursuit sa montée et que la surface piézométrique passe au-dessus du plafond. plafond surface libre

30. Une nappe artésienne • On appelle artésienne (du nom de la région d’Artois en France) une nappe captive dont la surface piézométrique passe au-dessus du niveau du sol en certains endroits. • L’eau jaillit toute seule d’un puits creusé à l’un de ces endroits puisqu’elle devrait monter jusqu’à la surface piézométrique pour réussir à équilibrer la pression qui la pousse vers le haut. On a un puits sans pompage, un puits artésien. puits artésien