Hydrogeologie et Hydrologie

L’Île-de-France est une région située dans le bassin parisien, une vaste cuvette sédimentaire qui s’est formée durant le Mésozoïque et le Cénozoïque.

La porosité et la perméabilité sont deux propriétés importantes des matériaux, en particulier des roches et des sols, mais elles concernent des aspects différents.

La notion de cycle hydrologique englobe les phénomènes du mouvement et du renouvellement des eaux sur la terre. Cette définition implique que les mécanismes régissant le cycle hydrologique surviennent conjointement. Le cycle hydrologique n'a donc ni commencement, ni fin.

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.*

L’aquifère est un complexe de deux constituants en interactions : le réservoir et l’eau souterraine.

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 1) 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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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'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.

Les sols sont des réservoirs d'eau; l'eau est contenue dans certains minéraux, en particulier les minéraux argileux, et dans la matière organique; celle-ci forme notamment des complexes organo-minéraux mal cristallisés qui retiennent l'eau. L'eau des argiles peut être simplement adsorbée à la surface des cristaux; cette eau est mobile et en grande partie disponible pour les plantes (réserve utile). Il y a en plus de l'eau entrant dans la constitution même des minéraux qui ne peut être extraite que par élévation de température au dessus de 100 °C et qui n'est donc pas disponible pour les êtres vivants.

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.

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.

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.

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.

Le bassin hydrologique est délimité par les lignes de crêtes topographiques isolant le bassin versant d'un cours d'eau et de ses affluents. Il correspond en surface au bassin hydrographique. Le bassin hydrogéologique correspond à la partie souterraine du bassin hydrologique. Un aquifère est un corps (couche, massif) de roches perméables comportant une zone saturée suffisamment conductrice d'eau souterraine pour permettre l'écoulement significatif d'une nappe souterraine et le captage de quantité d'eau appréciable. Un aquifère peut comporter une zone non saturée (définition de Margat et Castany). L'aquifère est homogène quand il a une perméabilité d'interstices (sables, graviers); la vitesse de percolation y est lente. Il est hétérogène avec une perméabilité de fissures (granite, calcaire karstique); la vitesse de percolation est plus rapide.