Contribution of the physical and chemical envirobnmental tracing to the hydrokinematical knowledge of carbonate aquifer
Apport du traçage physico-chimique naturel à la connaissance hydrocinématique des aquifères carbonatés
Résumé
Carbonate aquifers bear a memory of the recharge episodes. The environmental, physical and chemical tracing allows to specify the origin of the discharge water passing through the spring, hence it is an essential complement to the hydrodynamical studies. The first part of this thesis deals with the study of the time-variations of the physical and chemical content of the karst springs, on weekly and daily bases. The second part tries, from the chronological studies, to compute the amount of the reserves and of the underground flow in the total discharge of the spring, during flood and hydrological cycles. The third part purposes to prospect the hydrogeological regions (Jura Mountains and Southeastern France) with synchronous snapshots. This work allows a schematization of the behavior of the system. At the end of a depletion period, the precipitations percolate, accumulate and replace the stored water and solutes in the various "unsaturated" reservoirs -soil and epikarst- and saturated reservoirs -flow axes and capacitive zones-. The outlet records the chemical character of both media: surface (=immediate infiltration) and saturated (=piston effect) zones. The effective and massive contribution of the underground flow to the total discharge occurs in a mixture with the reserve water, often after the hydrograph peak, at the beginning of the recession. The depletation of the reserve begins when the contribution of the underground flow stops in the mixture. Hence the physical and chemical investigation allows weIl to discriminate between hydrokinematics and hydrodynamics, that is transit and transfer, respectively. The identification of the uninfluenced period, with help of snapshots, allows getting much information about the geochemical environment of the karst, its hydrocinematical behavior at a regional scale in a mountain zone, the location of recharge area and reserves, the mean age of permanent reserves and human influence on their quality. The representativeness of methods and study periods has been proved.
Les systèmes qui se développent dans les roches carbonatées gardent une plus ou moins grande mémoire des épisodes responsables de leur recharge. Les études hydrodynamiques diachroniques (analyse des courbes de récession et ajustement à des lois mathématiques) ou l'exploitation statistique des données (étude des débits classés, analyse corrélatoire et spectrale) permettent de mettre en évidence cette mémoire et de la quantifier en termes de réserves. L'hydrochimie est aussi un outil très puissant pour l'étude de la mémoire du système, car elle permet, grâce à son aspect qualitatif, de préciser l'origine des masses d'eaux transitant par l'exutoire, et ainsi d'affiner la reconstitution du fonctionnement hydrocinématique de l'aquifère. Cette reconstitution a été tentée à partir de deux démarches complémentaires, le suivi diachronique, étude des variations temporelles de concentration ou de flux physico-chimique d'émergences sélectionnées (suivi hebdomaclaire du Pont de Gys en Haute-Savoie, du Verneau dans le Doubs, du Baget en Ariège et de la Fontaine de Vaucluse, suivi quotidien de la Fontaine de Vaucluse, du Groseau et d'Aurel dans le Sud-Est de la France), et le cliché synchrone, prospection spatiale d'une province hydrogéologique à une période judicieusement choisie (Jura, Haut-Doubs, Haute-Saône et Sud-Est de la France). Les deux modes d'approche fournissent des résultats concordants: le système karstique en période hydrodynamiquement réputée non influencée (tarissement s.s.) garde la mémoire d'épisodes de recharge ayant modifié la chimie de la réserve assurant ce tarissement. Inversement, les abondantes précipitations responsables d'une montée de crue peuvent mobiliser d'importants volumes d'une eau à marque chimique de la réserve : le système en crue garde l'empreinte chimique de ses réserves. Le fonctionnement hydrocinématique des systèmes résulte donc de l'interaction de ces deux types de mémoire: mémoire à court terme et à long terme. La première partie de ce travail traite du suivi des paramètres physico-chimiques au cours du cycle hydrologique ainsi qu'en étiage. L'analyse des données montre que pendant le tarissement au sens strict les teneurs caractéristiques des réserves permanentes du système oscillent de manière aléatoire, aux erreurs analytiques près, autour d'une moyenne caractéristique de l'état hydrodynamique et hydrochimique de la réserve, et de l'histoire de sa recharge ; c'est pourquoi il est nécessaire, pour comparer le comportement de plusieurs émergences, de les étudier simultanément. La physico-chimie du système en tarissement est très sensible aux apports d'eau par la surface : on peut observer d'une part des transits rapides et directs d'eau chimiquement marquée par la zone non saturée, sans que le débit varie de manière appréciable et d'autre part une recharge partielle des blocs capacitifs du système par cette même infiltration ; dans ce cas, on note une évolution de la qualité des eaux des réserves à la suite de ces précipitations. Les basses eaux consécutives à ces pluies ne peuvent dès lors plus être considérées comme du tarissement au sens strict. Dans les systèmes bien karstifiés, les montées de crues mobilisent des eaux (marquées chimiquement par la réserve) présentes dans les drains au moment de l'infiltration. Cet effet piston, bien visible dans la chimie des eaux de l'émergence est suivi par l'arrivée des eaux d'infiltration qui se mélangent aux eaux de réserve. La deuxième partie tente de calculer la part relative des deux composantes (infiltration et réserve) au cours de crues ou au cours de cycles. Les résultats ne contredisent pas ceux obtenus par des méthodes hydrodynamiques ; toutefois la méthode physico-chimique donne plus de poids à la contribution des réserves, mais surtout met bien en évidence les décalages temporels existant entre les variations du débit (transfert) et le passage effectif des masses d'eau à l'exutoire (transit). Ces décalages sont fonction du type et de l'importance de la karstification. La troisième partie justifie l'emploi des campagnes de prélèvements instantanés des eaux des principales sources d'une région karstique, elle en précise les limites. Dans le Jura, l'altitude moyenne des impluviums et des réserves permanentes peut être obtenue par l'étude des teneurs en oxygène 18 et des températures. La chimie des eaux jurassiennes et son analyse multidimensionnelle mettent en évidence l'opposition structurale Haute-Chaîne-plateaux : les émergences de la Haute-Chaîne drainant des systèmes à faibles réserves (à temps de séjour faible) peu affectés par l'activité humaine, celles des plateaux drainant des aquifères à réserves plus développées établis sous des zones cultivées. Elles permettent de reconnaître les influences anthroplques et par là d'envisager un réseau de surveillance de la qualité de l'eau des réserves. L'acquisition des données de pCO2, de température et d'oxygène 18 fait considérer les campagnes de basses eaux hivernales comme de la décrue (ces campagnes incluant l'écoulement d'eaux d'infiltration différée) et non comme du tarissement. Toutefois l'utilisation des instantanés dans des régions trop monotones ou trop contrastées en limite l'intérêt. Dans le sud-Est de la la France, le rôle de la lithologie (dolomies ou évaporites) prévaut sur celui du fonctionnement hydrocinématique. Cependant, le rôle de l'évapotranspiration de surface est bien visible dans l'écoulement de l'émergence en basses eaux.