Cours de Géologie

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Changement Hydrologique globale

L'eau atmosphérique est constamment recyclée. En effet, la quantité totale d'eau contenue dans l'atmosphère est suffisante pour alimenter en pluie le bassin de l'Amazone en un an: s'il n'y avait pas de renouvellement, le reste du globe serait un désert. Pour une moyenne annuelle de 1030 mm de précipitation, le temps de résidence de l'eau atmosphérique est de 9 jours; le cycle est entretenu par l'énergie solaire.

 Le climat et le cycle de l'eau sont étroitement associés. On parle beaucoup actuellement d'effet de serre et de modification globale du climat de la Terre. Les projections dans le future s'appuient notamment sur les changements des climats passés déduits des formes de relief, des sédiments ou des restes organiques. Les modifications les plus impressionnantes qu'à connues l'humanité sont celles des périodes glaciaires du début du Quaternaire: l'extension des calottes glaciaires aux pôles s'est accompagnée du déplacement des ceintures climatiques et des précipitations. Des auteurs ont pu reconstituer les variations des précipitations et du ruissellement superficiel en Angleterre et au Pays de Galles pendant les 8500 dernières années. Les précipitations ont été plus faibles à l'époque boréale et au petit âge glaciaire, elles ont été plus abondantes pendant la période atlantique. Des modifications climatiques et du bilan hydriques de courte durée ont existé dans le passé récent.

  

Stockage et flux en EAU du Globe

La planète Terre est surtout recouverte par l'eau des océans qui constituent près de 70% de la surface totale. Cette eau est surtout salée et l'énergie solaire permet le fonctionnement de l'usine de dessalement planétaire qui produit par évaporation et condensation l'eau douce indispensable à l'homme.

 

  

L'etablissement du cycle Hydrologique

 L'exploitation des ressources en eau existe depuis les temps préhistoriques: de grands travaux d'irrigation, de protection contre les crûes ont été entrepris chez les civilisations de Mésopotamie, d'Egypte, de l'Indus... sans qu'ait été établie la relation du ruissellement avec précipitation et évaporation. "Tous les fleuves vont à la mer, et pourtant la mer n'est pas remplie" (Ecclesiaste). Les Grecs également s'interrogeaient sur le fait que le niveau de la mer restait constant bien que les fleuves apportent de l'eau continuellement; ils l'expliquèrent par une sorte de remontée capillaire de l'eau de mer vers les sources avec perte du sel. Pour établir le cycle hydrologique, il a fallu connaître les formes d'existence de l'eau dans la nature: océans, rivières, lacs mais également glaciers, sols, air, eaux souterraines. Il a fallu également quantifier les volumes et les flux d'eau. Les premiers bilans hydrologiques ont été évoqués, d'abord de façon inexacte, à la Renaissance: des personnages comme Léonard de Vinci et Bernard Palissy ont réalisé de nombreuses observations et mesures, mais il faut attendre le 17ème siècle pour arriver à une formulation exacte.
  

L'eau de l'écorce et du manteau terrestre

RAPPEL DE LA STRUCTURE DU GLOBE


   Figure 2: structure du globe
 


Figure 3: détail des couches superficielles

L'eau est présente:

* dans corps d'eau superficiels (océans, lacs, rivières) et souterrains (nappe) = hydrosphère

* dans les roches de l'écorce et du manteau: dans les interstices ou dans la composition chimique des minéraux.

  

Origine de l'eau sur la Terre

La Terre apparaît comme la seule planète du système solaire possèdant de l'eau à l'état liquide. Cet état n'est possible que par sa distance au Soleil. Sur Mercure, l'eau a été vaporisée et dissociée par le rayonnement ultra-violet du Soleil; l'hydrogène généré a diffusé dans l'espace. Venus, la "planète soeur" de la Terre est plus proche du Soleil, 0,7 U.A.: l'énergie reçue du Soleil est 2 fois plus grande. L'eau a été vaporisée dans l'atmosphère vénusienne ; avec le CO2, elle a produit un effet de serre et augmenté encore la température superficielle de la planète. Le CO2 n'a pu de ce fait se dissoudre dans l'eau liquide pour former des carbonates. Les U.V. solaire ont ensuite dissocié la plus grande partie de la vapeur d'eau en donnant de l'hydrogène qui s'est échappé définitivement de l'atmosphère vénusienne. En revanche, l'atmosphère a gardé plus facilement une partie de son deutérium qui était combiné dans les molécules d'eau lourde; cet isotope lourd a été détecté par la sonde américaine Pioneer. Vénus a pu à son origine contenir autant d'eau que la Terre; elle n'a plus maintenant qu'une faible quantité de vapeur qui correspondrait à une couche superficielle de 0,20 m à l'état liquide.
  

La répartition de l'eau dans l'univers

Après la synthèse dans les étoiles géantes rouges, les molécules d'eau se retrouvent donc dans certaines zones bien particulières, avec l'oxygène atomique O et le radical OH, qui résultent d'une dissociation de H2O par collision avec d'autres molécules du gaz ou par le rayonnement ultra-violet; on trouve en outre des molécules de O2, CO, CO2, des composés du silicium et peut-être des oxydes d'autres métaux. L'eau à l'état solide est facilement détectée grâce à une signature spectrale caractéristique: une bande d'absorption dans l'infra-rouge à 3,1 µm. L'eau à l'état de glace a pu être mise en évidence d'abord à la surface et à la périphérie d'étoiles de température peu élevée, puis dans les nuages moléculaires interstellaires. La présence d'eau dans les nuages circumstellaires de certaines étoiles trés jeunes est considéré comme un indice de formation de système planétaire.


  

Synthese de l'eau dans le Cosmos

La simple molécule d'eau H2O est formée par l'association d'un élément primordial, l'hydrogène, issu du "big bang", et de l'oxygène produit dans les étoiles. Ces deux atomes se sont unis dans les zones plus froides, à l'abri du rayonnement ultra-violet destructeur des molécules.

L'hydrogène est l'élément le plus abondant de l'univers (90% des atomes de l'univers); son atome ne comprend qu'un proton et qu'un électron. C'est la brique élémentaire qui a servi à fabriquer tous les autres éléments chimiques (nucléosynthèse). Les nucléons comprennent les protons et les neutrons. Par addition de protons et de neutrons liés par des forces nucléaires trés puissante se sont constitués tous les noyaux d'atomes depuis l'hélium jusqu'à l'uranium.

Le noyau d'hydrogène a été formé dans les premières phase du big bang. Il a donné ensuite des noyaux plus gros comme d'hélium. Grâce à l'expansion de l'univers qui a diminué la température et fait cesser les interactions nucléaires, une partie seulement de l'hydrogène s'est transformé en hélium puis en d'autres noyaux simples. La température baissant encore, les protons et les électrons se sont combinés pour donner des atomes d'hydrogène neutres puis des molécules. La gravité a rassemblé ensuite la matière en amas d'étoiles.

  

Les Eaux Souterraines

On a vu dans une section précédente qu'une partie des eaux de précipitation ruissellent à la surface des continents pour former les cours d'eau, alors qu'une autre partie s'infiltre dans le sol pour donner ce qu'on appelle les eaux souterraines.

Les eaux souterraines constituent une provision d'eau potable inestimable pour l'humanité. Dans plusieurs pays, c'est pratiquement la seule source d'approvisionnement. Au Québec, nous sommes habitués à compter sur les eaux de ruissellement (lacs, rivières, fleuve) pour notre approvisionnement en eau potable, mais de plus en plus, individus et municipalités se tournent vers cette richesse que constituent les nappes phréatiques. Celles-ci contiennent un volume énorme d'eau exploitable. En milieu urbain ou industriel, les nappes phréatiques peuvent devenir rapidement fragiles à la surexploitation ou à la contamination. Géologues et ingénieurs géologues commencent à peine à faire l'inventaire de cette ressource et à développer des outils pour une protection et une exploitation rationnelles.

Contrairement à la croyance souvent répandue que ces eaux sont stockées dans des sortes de rivières ou de grands lacs souterrains, les eaux souterraines sont contenues dans les pores des sédiments ou des roches.

En fait, il faut savoir que la croûte terrestre contient des fluides jusqu'à de très grandes profondeurs, pratiquement sur toute son épaisseur, soit plusieurs milliers de mètres. Quand on parle d'eaux souterraines, on se réfère, en pratique, aux eaux qui se trouvent dans la partie superficielle de la croûte, quelques centaines de mètres au maximum, celles qui sont propres à notre consommation. Plus on s'enfonce dans la croûte, plus l'eau devient riche en divers sels minéraux et métaux, ce qui la rend impropre à la consommation.

Si les matériaux du sous-sol sont perméables, les eaux de pluie s'infiltrent et finissent par s'accumuler à partir d'un certain niveau, ce qui délimite deux grandes zones en ce qui concerne les eaux souterraines: la nappe phréatique, une zone où toutes les cavités (pores du sédiment, fractures des roches, cavernes, etc.) sont saturées en eau; la zone vadose, une zone où les cavités contiennent principalement de l'air avec un peu d'eau (celle attachée aux parois des cavités).