Détermination du temps de résidence des eaux souterraines : application au transfert d'azote dans les aquifères fracturés hétérogènes
Résumé
Heterogeneous fractured aquifers are extensively developed in crystalline rocks, such as schist
or granite. In these aquifers, porosity ranges from the fractures to the microporosity contained
in pores and fissures of the matrix. A better characterisation of such aquifers and especially
adapted to search for new water reservoir in Brittany, was undertaken through: (1) temporal
chronicles, isotopic analyses and laboratory experiments and (2) by the interpretation of
residence times through CFC analysis.
Groundwater hydrochemistry is related to rock heterogeneity leading to a more important
spatial variability than the temporal or seasonal variability in the catchments. In the aquifer,
nitrogen and sulphur biogeochemical cycles are linked through denitrification coupled to
sulphide oxidation. A denitrification coupled to an iron oxidation in crystalline rock has been
demonstrated in laboratory experiments. Sulphur and oxygen isotopic composition of sulphate
show a strong relationship between the spatial localisation in the watershed and the processes
in any studied site. In the deep part of the aquifer solutes from old circulating fluids are
conserved in the microporosity. These solutes may contribute to the chemical signature of
circulating groundwater.
This type of aquifer can be divided in 3 compartments: recharge areas, weathered part and
deep part. In each compartment, the groundwater residence times are homogeneous at the
scale of Brittany: (1) young water in the recharge areas, (2) old waters (> 50 yr old) in the
deep fractured part and (3) a 18 ± 2 yr old water in the weathered part of aquifers. While the
weathered part supports the water flux to rivers, these results indicate that water management
should to be done at the same timescale.
or granite. In these aquifers, porosity ranges from the fractures to the microporosity contained
in pores and fissures of the matrix. A better characterisation of such aquifers and especially
adapted to search for new water reservoir in Brittany, was undertaken through: (1) temporal
chronicles, isotopic analyses and laboratory experiments and (2) by the interpretation of
residence times through CFC analysis.
Groundwater hydrochemistry is related to rock heterogeneity leading to a more important
spatial variability than the temporal or seasonal variability in the catchments. In the aquifer,
nitrogen and sulphur biogeochemical cycles are linked through denitrification coupled to
sulphide oxidation. A denitrification coupled to an iron oxidation in crystalline rock has been
demonstrated in laboratory experiments. Sulphur and oxygen isotopic composition of sulphate
show a strong relationship between the spatial localisation in the watershed and the processes
in any studied site. In the deep part of the aquifer solutes from old circulating fluids are
conserved in the microporosity. These solutes may contribute to the chemical signature of
circulating groundwater.
This type of aquifer can be divided in 3 compartments: recharge areas, weathered part and
deep part. In each compartment, the groundwater residence times are homogeneous at the
scale of Brittany: (1) young water in the recharge areas, (2) old waters (> 50 yr old) in the
deep fractured part and (3) a 18 ± 2 yr old water in the weathered part of aquifers. While the
weathered part supports the water flux to rivers, these results indicate that water management
should to be done at the same timescale.
Les aquifères fracturés hétérogènes se développent dans les roches cristallines (schiste, granite,...). Ces milieux présentent une large gamme de porosité de celle contenue dans les fissures et fractures qui constituent la zone de transfert principale de l'eau, à une porosité plus faible constituée de l'ensemble des microfissures et micropores de la matrice rocheuse. Une meilleure caractérisation de ces aquifères, appliquée plus particulièrement à la problématique de recherche de nouvelles ressources en eau en Bretagne, est réalisée au travers de deux axes principaux : (1) de suivis hydrochimiques, d'analyses isotopiques, d'expérimentations en laboratoire et (2) d'analyse des chlorofluorocarbones – CFC – (gaz anthropiques) en vue de la détermination des temps de résidence.
L'hydrochimie de ces aquifères est fortement liée à l'hétérogénéité physique des roches avec une variabilité spatiale beaucoup plus grande que la variabilité temporelle dans ces bassins-versants. Dans ces milieux, le cycle de l'azote et du soufre sont intimement liés au travers de la dénitrification par oxydation des sulfures. La potentialité d'une dénitrification par oxydation du fer dans les roches cristallines a été mise en évidence au travers d'expérimentations en batch. L'interprétation des données concernant les isotopes du soufre et de l'oxygène des sulfates montrent une cohérence entre la localisation spatiale et le processus mis en jeu quel que soit le site étudié. L'ensemble de ces résultats met en avant l'existence dans la zone profonde de ces aquifères, de solutés d'origine ancienne conservés dans la microporosité et qui contribuent à la chimie des eaux circulant dans les fractures connectées à cette microporosité.
Ces aquifères peuvent être décomposés en trois compartiments principaux que sont les zones de recharge, la zone altérée et la zone profonde. Dans chacun de ces compartiments les temps de résidence sont homogènes à l'échelle de la Bretagne : eaux récentes dans les zones de recharge, eaux anciennes (>50 ans) dans la zone profonde et un temps de résidence moyen de 18 ± 2 ans dans la zone altérée. Ces données indiquent que la gestion de ces aquifères doit prendre en compte l'échelle du temps de résidence de l'eau dans la zone altérée, réservoir de soutien des cours d'eau (supérieur à la dizaine d'années).
L'hydrochimie de ces aquifères est fortement liée à l'hétérogénéité physique des roches avec une variabilité spatiale beaucoup plus grande que la variabilité temporelle dans ces bassins-versants. Dans ces milieux, le cycle de l'azote et du soufre sont intimement liés au travers de la dénitrification par oxydation des sulfures. La potentialité d'une dénitrification par oxydation du fer dans les roches cristallines a été mise en évidence au travers d'expérimentations en batch. L'interprétation des données concernant les isotopes du soufre et de l'oxygène des sulfates montrent une cohérence entre la localisation spatiale et le processus mis en jeu quel que soit le site étudié. L'ensemble de ces résultats met en avant l'existence dans la zone profonde de ces aquifères, de solutés d'origine ancienne conservés dans la microporosité et qui contribuent à la chimie des eaux circulant dans les fractures connectées à cette microporosité.
Ces aquifères peuvent être décomposés en trois compartiments principaux que sont les zones de recharge, la zone altérée et la zone profonde. Dans chacun de ces compartiments les temps de résidence sont homogènes à l'échelle de la Bretagne : eaux récentes dans les zones de recharge, eaux anciennes (>50 ans) dans la zone profonde et un temps de résidence moyen de 18 ± 2 ans dans la zone altérée. Ces données indiquent que la gestion de ces aquifères doit prendre en compte l'échelle du temps de résidence de l'eau dans la zone altérée, réservoir de soutien des cours d'eau (supérieur à la dizaine d'années).