Cours de Géologie

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Perméabilité des roches et loi de Darcy

La perméabilité d'un milieu poreux correspond à son aptitude à se laisser traverser par un fluide (liquide ou gaz) sous l'effet d'un gradient de pression. Les hydrogéologues et les pétroliers mesurent la perméabilité en darcys (d'après Henri Darcy, 1856). Un darcy correspond à la perméabilité d'un corps assimilé à un milieu continu et isotrope au travers duquel un fluide homogène de viscosité égale à celle de l'eau à 20°C (une centipoise) s'y déplace à la vitesse de 1 cm/s sous l'influence d'un gradient de pression de 1 atm/cm. 1 Darcy = 0,97.10-12 m2.
  

Aquifères

On distingue trois grands types de terrains selon leurs capacités à laisser passer l’eau :
  • les terrains semi-perméables ou l’eau circule très lentement
  • les terrains imperméables.
  • et les terrains aquifères ou l’eau circule librement.
 
L’aquifère est un complexe de deux constituants en interactions : le réservoir et l’eau souterraine.
  

Piézométrie et hydrodynamique

La mesure du niveau des eaux souterraines est d'une importance fondamentale dans l'hydrogéologie. Le niveau des eaux souterraines de l'aquifère peut être utilisé pour plusieurs raisons y compris un complot hydrogramme, et la construction d'une carte piézométrique qui est nécessaire afin de connaître l'extension de l'aquifère, la direction et la vitesse de l'écoulement des eaux souterraines, ainsi que leur zones d'accumulation. La mesure de niveau des eaux souterraines est effectuée à l'aide d'une sonde (Figure 23) dont le capteur est réactif à la conductivité de l'eau. Lorsque la sonde atteint le niveau de l'interface air/eau, un contact électrique est établi entre deux tiges métalliques, déclenchant un signal sonore et lumineux.

  

Comprendre les eaux souterraines

L'eau se déplace constamment d'un point à un autre. Elle change même de forme en cours de route, passant de la phase gazeuse (vapeur) à la phase liquide, de la phase liquide à la phase solide, et de la phase liquide à la phase gazeuse. Le périple sans fin de l'eau suit un cours appelé « cycle hydrologique » ou « cycle de l'eau » . Une fois à la surface du sol, l'eau provenant des précipitations ou l'eau de fonte peut soit ruisseler à la surface du sol et gagner des étendues d'eau (lacs et cours d'eau), soit s'infiltrer dans le sol et être absorbée par les végétaux ou servir à alimenter les réserves d'eaux souterraines. Elle peut aussi s'évaporer de la surface du sol ou des étendues d'eau, ou être libérée par la transpiration des végétaux et être relâchée dans l'atmosphère, le cumul de l'évaporation et de la transpiration étant appelé « évapotranspiration ». Le cycle est complet quand l'eau présente sous forme de vapeur d'eau dans l'atmosphère retombe au sol à la faveur des précipitations.

L'eau souterraine est l'eau qui s'infiltre dans le sol et traverse les matériaux (roches et sédiments, par exemple) qui constituent le sous-sol. Tôt ou tard, l'eau jaillit dans une source, un cours d'eau, un lac ou des terres humides. Elle est alors évacuée vers la surface et fait désormais partie des eaux de surface.

  

La perméabilité

La perméabilité est la faculté que possède un corps de se laisser traverser par un fluide. Cette propriété est généralement exprimée numériquement par le coefficient de perméabilité K de « DARCY ». Il n'y a aucun rapport direct entre la porosité et la perméabilité, mais pour être perméable la roche doit obligatoirement être poreuse.


  

Détérioration de la qualité de des eaux souterraines

La qualité naturelle des eaux souterraines peut être altérée par l'activité humaine. La détérioration de la qualité de l'eau est appréciée par mesures des paramètres physico-chimiques et bactériologiques. Dans le cas d'une détérioration jugée importante, l'eau ne sera plus considérée comme potable pour la consommation humaine. Elle pourra être telle quelle utilisée à d'autres fins (irrigation...) ou devra subir un traitement appropriée pour retrouver sa potabilité. L'eau des nappes n'est donc pas à l'abri de la pollution et l'auto-épuration naturelle n'est pas complète dans toutes les nappes et vis-à-vis de certaines substances.
 
 

1 Vulnérabilité des nappes à la pollution. 
 

La vulnérabilité dépend du type de nappe, libre ou captive, et du mode de circulation de l'eau dans l'aquifère. Les nappes libre sont les plus vulnérables: les polluants d'origine superficielle peuvent diffuser librement dans le sol et la zone non saturée jusqu'au niveau pièzométrique; d'autre part, la fluctuation verticale saisonnière du niveau piézométrique aboutit à 'rincer' les particules de la zones non saturée et entraîner les substances qui y sont adsorbées. Les nappes captives en revanche sont mieux protégées par les couches imperméables qui les surmontent. Leur alimentation en eau superficielle est plus circonscrite, donc plus aisée à protéger. Leur pollution apparaît lorsque le niveau protecteur imperméable est percé par un ouvrage (ancien forage, fouille profonde...) Enfin, la percolation de l'eau dans un milieu poreux peut produire une fixation des substances sur les particules et donc une épuration de l'eau. Ce phénomène n'existe pas dans les milieux fissurés où la circulation est bien plus rapide.

  

Paramètres de qualité des eaux souterraines

1 Principaux paramètres de potabilité

La qualité d'une eau souterraine est caractérisée par un certain nombre de paramètres physiques et chimiques, déterminant à leur tour des caractères organoleptiques seuls immédiatment perceptibles pour l'usager.

Les paramètres pris en compte sont:

* la dureté de l'eau correspondant à sa minéralisation en calcium et magnésium

* le pH qui dépend de la teneur en ions;

* la teneur en gaz dissous issus de l'atmosphère (O2et CO2 );

* la teneur en substances minérales disoutes généralement sous forme ionique: anions (bicarbonates, chlorures, sulfates, nitrates, fluorures) et cations (calcium, magnésium, sodium, potassium, fer, manganèse, ammonium);

* la turbidité, produite par des matières en suspension (argiles) dans les aquifères karstiques

  

Minéralisation de l'eau souterraines

L'eau de pluie est légèrement acide du fait de sa teneur en CO2 dissous. Au cours de son infiltration dans le sol et le sous-sol, elle se charge en ions et acquiert des propriétés physiques et chimiques qui caractérisent l'eau de la nappe qu'elle forme. Les eaux souterraines sont plus ou moins minéralisées en fonction:

* de la nature des roches traversées et des minéraux rencontrés au cours de l'infiltration;

* du temps de contact de l'eau avec les minéraux, donc de la vitesse de percolation de l'eau dans le sous-sol;

* du temps de renouvellement de l'eau de la nappe par l'eau d'infiltration.

On voit l'importance des minéraux solubles des roches et de la perméabilité de l'aquifère dans la minéralisation de l'eau.

Dans l'aquifère, il s'établit un équilibre entre la composition chimique de l'eau et celle des roches: l'eau prend une minéralisation qui demeure stable dans le temps et sert à caractériser un faciès hydrochimique.

* Dans les terrains cristallins (granitiques), sableux et gréseux -c'est à dire riche en minéraux siliceux et silicatés - les eaux sont douces: elles sont peu minéralisées mais acides et agressives pour les conduites: c'est le cas ds eaux des réservoirs sableux de l'Albien et de l'Oligocène dans l'Oise.

* Dans les réservoirs calcaires, les eaux sont dures, moyennement à fortement minéralisées en sels de calcium et magnésium; elles entartrent les conduites. C'est le cas des eaux de la nappe de la craie. Dans les réseaux karstiques, l'eau peut se charger de particules argileuses en suspension au cours des fortes pluies.

* Au contact du gypse, fréquent dans les terrains tertiaires du Bassin de Paris, l'eau se charge en sulfate de calcium et devient dure (séléniteuse) et impropre à la consommation.

* En bordure de mer, les aquifères peuvent être en contact avec l'eau de mer: échange au niveau du biseau salée, contamination de l'eau d'infiltration par les embruns salés. L'eau de la nappe devient plus ou moins saumâtre. L'invasion de la nappe d'eau douce par l'eau salée est accélérées par les pompages et le rabattement de la nappe (cas de la nappe de la plaine du Sous au Maroc).

* L'eau des nappes alluviales a une qualité qui dépend de celle de la nappe qui l'approvisionne et de celle de la rivière.

En Picardie, les principaux faciès hydrochimiques sont les suivants.

* faciès bicarbonaté calcique: le plus fréquent; c'est celui de la nappe de la craie.

* faciès sulfaté calcique: fréquent dans les nappes de l'Eocène moyen et supérieur.

* faciès bicarbonaté sodique: c'est celui de l'aquifère profond des sables verts (Albien); le sodium est libéré par les minéraux argileux qui fixent à sa place le calcium.

* faciès chloruré sodique: dans les aquifères en bordure de mer.