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La géochimie des eaux souterraines

Frédéric Gresselin

flyer geyser, Névada

source worldarrest

L'interaction entre la roche et l'eau : principe général

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• En traversant le sol puis la roche, l'eau de pluie se minéralise
• Elle solubilise pour cela un certain nombre d'atomes parmi les plus solubles dans l'eau
• Il s'agit du calcium, du magnésium, du chlore et du sodium

roche

minéraux

pluie s'acidifiantau contact du CO2 contenu dans l'atmosphère

percolation de la pluie dans le sol, puis la roche parent

pluie

hydrolyse de certains minéraux constitutifs du sol et de la roche parent

sol

acidification induite par l'activité biologique du sol

Déstructuration progressive des minéraux constitutifs de la roche s'accompagnant de la désagrégation de cette dernière, de la libération des minéraux non hydrolysés et de production d'argiles.

roche parent

La géochimie des eaux des aquifères carbonatés

01-a

La géochimie des eaux souterraines des aquifères carbonatés (craie-calcaire)

• La craie et les calcaires de manière plus générale constituent des aquifères de grande extension géographique en France
• Ils sont abondamment exploités
• Le carbonate de calcium, constituant principal des calcaires et craie, est assez soluble dans l'eau
• Les eaux de ces aquifères sont riches en ions hydrogénocarbonate (bicarbonate) et calcium

Conductivité et concentration de l'ion hydrogénocarbonate à la source de Radicatel (vallée de la Seine, Seine-Maritime).

la Seine

• Aquifère crayeux karstique
• AEP
• Conductivité : 550 -600 µS/cm
• Hydrogénocarbonate : 275 - 300 mg/L

Source : ARS - ADES

Solubilité de la calcite (CaCO3) dans l'eau associée à une phase gazeuse contenant du CO2

Plus une eau contient de l'acide carbonique, plus le carbonate de calcium y est soluble

La géochimie des eaux des aquifères de socle

01-b

Pour les aquifères de socle, la dissolution des minéraux est très lente. Durée de vie moyenne de quelques minéraux à 25°C et pH 5

• Plus un minéral est riche en calcium et magnésium, plus il est altérable et libère anions et cations
• Plus un minéral est riche en silice ou en aluminium, plus il est stable
• Le quartz (SiO2) est quasi-inaltérable à l'échelle humaine
• Quartz et plagioclases sodique et calcique sont constitutifs des granites

Source : Lasaga et al. (1994)

Un granite, avec ses principaux minéraux et leur formule chimique

• Le calcium et le magnésium, les deux éléments les plus solubles, sont inclus dans la trame cristalline des plagioclases et du mica noir. L'arénisation d'un granite (altération en sable) va résulter sous nos latitudes de la destructuration de la roche par altération de ces deux minéraux.
• Des éléments traces solubles dans l'eau comme le césium, le bore, le lithium...sont susceptibles d'être relargués lors de l'altération

L'altération de certains minéraux des roches magmatiques consomme du CO2 Exemple de l'altération par hydrolyse d'un cristal de plagioclase

formule générale d'un plagioclase : Na(AlSi3O8) à Ca(Al2Si2O8)

• Dans la chambre magmatique, quand le plagioclase se forme, il incorpore préférentiellement dans sa trame cristalline du calcium. Quand le calcium s'épuise dans le magma, il le remplace par du sodium. Le minéral est donc plus riche en sodium en sa périphérie (ellipse bleue) qu'en son coeur.
• L'hydrolyse va préférentiellement attaquer les zones les plus riches en calcium et pénétrer de manière centripète jusqu'au coeur du minéral, délaissant sa zone périphérique. Le sodium est en effet moins soluble dans l'eau que le calcium
• Le calcium va s'associer au CO2 pour former du CaCO3 du calcaire
• Le processus va constituer un puits de carbone

pénétration de l'altération

Altération dune biotite (mica noir) en chlorite

• L'altération d'une biotite va produire des argiles, comme la chlorite, et libérer des ions.
• Cette réaction est une hydrolyse (la chlorite contient plus d'ions OH que n'en contient la biotite)

• Plus le climat est chaud, plus l'altération est profonde et rapide
• L'aluminium fait partie des éléments les plus stables
• Il va se stocker dans les sols

altération

Mica noir (biotite)K(Mg,Fe)3(OH,F)2(Si3AlO10)

Chlorite (argile)(Fe,Mg,Al)6(Si,Al)4O10(OH)8

Conductivité et concentration de l'ion hydrogénocarbonate Forage de Beaumont-Hague BSS000FCSX (Manche)

• Aquifère grès fissurés
• AEP
• Conductivité : 250 -350 µS/cm
• Hydrogénocarbonate : 25 - 35 mg/L

Les caractéristiques physico-chimiques des eaux peuvent varier dans le temps

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Mesure en continu de la conductivité des nappes d'un massif dunaire et de son socle (schistes et grès)

conductivité en µS/cm

• La conductivité peut varier rapidement dans le temps en lien avec la recharge des nappes d'eau souterraine
• Ceci est d'autant plus vrai que l'eau de pluie pénètre rapidement dans l'aquifère
• Le mélange entre eau de nappe et de pluie entraîne une baisse de la conductivité dans le socle et le contraire dans les sables (pollution agricole ?)

Mesure en continu de la température dans un massif dunaire et son socle (schistes et grès)

• Réponse thermique différente entre l'aquifère de socle et celui du sable dunaire
• Différence d'amplitude
• Déphasage
• Critère complémentaire d'évaluation de la vulnérabilité : l'amplitude thermique du signal annuel de la nappe

La composition chimique des eaux dépend aussi de leur âge

• Plus une eau réside longtemps dans un aquifère, plus elle se minéralise
• Elle s'enrichit en sulfates, en sodium, en chlore...
• Les eaux les plus récentes sont plutôt de type "bicarbonaté calcique"
• Les eaux anciennes et profondes de type "chloruré-sodique"
• Les eaux intermédiaires de type "sulfaté sodique"
• Les mélanges entre eaux de différente composition sont fréquents

source : rqes.ca

Eaux jeunes : peu minéralisées, souvent bicarbonatées calciques

Eaux anciennes : une chimie très particulière

Quels paramètres clefs à analyser en plus de la conductivité et de la température

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• le pH, la température, l'oxygène dissous, la conductivité...
• les éléments dits majeurs, qui permettent d'identifier les caractéristiques minérales de l'eau
• les mineurs, certains d'entre eux peuvent éventuellement poser problème, d'autres signalent un environnement pollué
• les traces, si un problème particulier est diagnostiqué

Les analyses d'eau : que faut-il mesurer ?

Le fluor : favorise la santé dentaire à faible concentration (1mg/L). Au dessus de 1,5 mg/L, il entraîne de la fluorose dentaire (taches). Au delà de 5 mg/L, il peut provoquer la perte des dents et l'apparition de fluorose osseuse

La présence de certains ions offre des informations sur l'état d'oxygénation ou d'anoxie du milieu

L'origine d'une eau souterraine ou d'une pollution Analyser de manière progressive, complexité et coût croissants

• Dégrossir à partir de simples mesures physico-chimiques (conductivité) et l'analyse des éléments majeurs et mineurs.
• Le faire sur un nombre important de prélèvements bien représentatifs du contexte hydrogéologique et de l’objectif de l’étude .
• Comparer au fond géochimique naturel
• Affiner en étudiant les éléments traces sur un nombre plus restreint d’échantillons
• Choisir ensuite si nécessaire sur un petit nombre de points d’eau des outils plus sophistiqués tels que les isotopes stables de l'eau, les éléments dissous, les outils de datations chimiques ou radio-isotopiques

diapo sur fond géochimique

Utiliser des isotopes stables pour diagnostiquer l'origine d'une pollution : le principe du fractionnement isotopique

Lors d'un processus physique ou chimique, la différence de comportement entre les isotopes lourds et légers d'un élement détermine une modification de leur rapport d'origine

Origine

A titre d'exemple : les isotopes de l'azote pour déterminer l'origine de certaines pollutions ou phénomène

• Les engrais azotés chimiques sont fabriqués à partir de l'azote de l'air.
• Leur concentration en 15N est plus faible que celle des engrais naturels qui subissent, avant d'intégrer le sol et dans le sol, une évaporation de l'ammoniac NH3.
• L'évaporation enrichit la phase résiduelle en 15N, car l'isotope 15N nécessite plus d'énergie pour être évaporer que l'isotope 14N plus léger
• Les pollutions par engrais azotés chimiques n'ont donc pas la même signature géochimique que celles produites par les engrais organiques

Les isotopes de l'azote pour déterminer l'origine de certaines pollutions ou phénomène : un autre exemple

• Dans un aquifère, lorsque les eaux sont captives et dépourvues d'oxygène, certaines bactéries présentes dans les nappes utilisent l'oxygène des nitrates (NO3-) en tant que comburant en remplacement de l'O2.
• Pour les bactéries du cycle de l'azote, utiliser le 14N des nitrates dans leur métabolisme requiert moins d'énergie que d'utiliser le 15N, isotope de masse atomique légèrement supérieure
• Dans les aquifères, en présence de réactions de dénitrification, cette stratégie bactérienne détermine l'augmentation progressive du 15N par rapport au 14N
• Le rapport 14N/15N des eaux souterraines est ainsi un indicateur de dénitrification naturelle

Exercice : zut, encore un ! J'espère que ce n'est pas une histoire d'isotopes

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Quelle eau / Quelle composition chimique ?

Voici la concentration chimique de quelques eaux de source ou minérales Laquelle provient de Zilia, d'Evian et de Contrexéville ?

Et dans quels types d'aquifère sont-elles prélevées ?

A l'issue de cette séquence, vous avez compris :

• comment l'eau se charge en minéraux lorsqu'elle circule dans la roche ?
• que la géochimie de l'eau permet d'en caractériser l'origine tout du moins en partie
• qu'une eau âgée peut avoir un chimisme très particulier et ne pas être potabilisable
• comment accéder à de l'information sur la qualité des eaux souterraines