Mécanisme de recharge des aquifères cristallins fracturés

Personnels impliqués: Joaquín JIMENEZ-MARTINEZ (CNRS), Laurent LONGUEVERGNE (CNRS), Tanguy LE BORGNE (UR1), Pascal GODERNIAUX (UR1), Philippe DAVY (CNRS), Olivier BOUR (UR1), Pierre GAVRILENKO (CNRS), Yves MEHEUST (UR1), Nicolas Lavenant (CNRS), Christophe PETTON (CNRS)

Articles publiés:

Jiménez-Martínez, J., Longuevergne, L., Le Borgne, T., Davy, P., Russian, A., and Bour, O. (2013), Temporal and spatial scaling of hydraulic response to recharge in fractured aquifers: Insights from a frequency domain analysis, Water Resources Research, 49(5), 3007-3023.

Analyse de domaine fréquentiel pour caractériser l’hétérogénéité et les mécanismes de recharge

Nous avons étudié les mécanismes de recharge et leur évolution dans les milieux fracturés en utilisant une analyse de domaine fréquentiel. Les objectifs principaux sont la quantification des caractéristiques physiques de l’aquifère (temps de réponse, capacité de stockage, transmissivité) et l’estimation de l’impact de l’hétérogénéité et de la connectivité sur la réponse en domaine fréquentiel du niveau piézométrique à l’échelle de la journée à quelques jours.

Les fonctions de transfert ont été calculées pour le site expérimental de Ploemeur (Bretagne sud, France). La recharge, premièrement calculée comme la pluie efficace, et les fluctuations du niveau piézométrique sont utilisées comme entrée et fonction de réponse respectivement. Les modèles classiques pour interpréter ces fonctions de transfert  sont ceux du réservoir linéaire et de Dupuit, combiné à un compartiment à flux rapide. Certaines des fonctions de transfert calculées reproduisent fidèlement l’évolution d’un réservoir linéaire ; à l’inverse d’autres ne suivent pas cette tendance. Ceci suggère que l’hétérogénéité à différentes échelles induit une variété de processus de transfert qui ne sont pas représentés par  les modèles classiques. L’hétérogénéité est mieux contrainte en analysant la variabilité de la réponse (temps caractéristique, amplitude à basse fréquence et asymptote de la pente log-log) des puits d’observation. Nous avons discuté de la pertinence des effets d’échelle sur les propriétés hydrauliques par comparaison aux estimations de ces mêmes propriétés.

 

Figure. (a) Pluie efficace et niveau piézométrique (h) sur F7, fonctions d’entrée et sortie respectivement. (b) TF empirique (en gris) et régularisés (points noirs) pour le puits F7 en fonction de la fréquence f

Figure. TF empiriques et régularisés (symboles) et fit du modèle de réservoir linéaire sur les puits F07, and MF2. Régression linéaire et intervalle de confiance (95%)

 

 

Figure. Estimation du coefficient d’emmagasinement (a) et transmissivité (b) à partir des techniques de terrain (diagraphie de débit, tests d'interférence entre forages et test de pompage longue durée d’après Le Borgne et al. [2006a]), à partir des déformations de sol suivi par des mesures GPS [Moreau et al., 2006], et analyse de domaine fréquentiel. L’échelle d’observation augmente de la gauche vers la droite. Pour la transmissivité la longueur de l’aquifère est prise à 2700m.

 

Suivi de la zone non saturée

Personnels impliqués: Joaquin JIMENEZ-MARTINEZ (CNRS), Elise COULON (UR1), Laurent LONGUEVERGNE (CNRS), Olivier Bour (UR1), Tanguy LE BORGNE (UR1), Nicolas LAVENANT (CNRS), Christophe PETTON (CNRS)

Un suivi complet de la zone non saturée, incluant le sol et la roche altérée, a été réalisé sur le site de Ploemeur. Pour ce suivi différents type des sondes ont été installés à différentes profondeurs (0.15, 0.25, 0.5, 0.9, 1.47 et 2m) : sonde TDR (time domain reflectrométry) pour mesurer l’humidité du sol, des tensiomètres pour la pression hydraulique et des thermomètres.

 

Figure. Détails de la sonde TDR (gauche), tensiomètre (milieu) et thermomètre (droite)

Figure. Schéma et photo de la configuration des capteurs sur site

Habituellement dans les aquifères de roche cristalline deux types de recharges sont considérés :  la recharge régionale par l’intermédiaire d’un large réseau de fractures, et l’infiltration directe au travers des horizons supérieurs du sol et de la zone altérée. L’objectif de l’expérience  est de quantifier le second type de recharge de façon à réduire l’incertitude sur la recharge de ce type d’aquifère.

L’installation de thermomètres permet l’utilisation de la température comme traceur passif car ce site est une aire protégée pour l’alimentation en eau potable.

 

Modélisation hydro-mécanique

Personnel impliqués :Laurent LONGUEVERGNE (CNRS), Pierre GAVRILENKO (CNRS), Clément ROQUES (UR1)

Tâches d’observations

1.       Observatoire hydrogéologique de Ploemeur

Plusieurs travaux ont été entrepris. Par exemple, des modélisations numériques ont montré la sensibilité des inclinomètres aux structures locales. Ainsi, la position et l’environnement proche a été décrit précisément pour une intégration dans les modèles. De plus, nous avons mis en évidence plusieurs signaux intéressants ont été mis en évidence sur les inclinomètres et associés à la maintenance de la station de pompage de Ploemeur et seront interprétés dans l’année à venir.

2.       Expérience de Saint Brice en Coglès

Saint Brice en Coglès peut être considéré comme un équivalent au site de Ploemeur, mais non pompé. En effet, le projet RHAPSODI a mise en évidence des débits potentiels très important pour un contexte cristallin. Au point de vu géologique, les structures perméables sont liées à un contacte granite – micaschiste. Au point de vu hydrogéologique, le site correspond à une zone de décharge naturelle d’un aquifère profond (voir la figure ci-dessous). Nous avons profité d’un essai de pompage de 3 mois dans le cadre du projet CASPAR pour mettre en œuvre un suivi géodésique et suite les déformations et variations de gravité associées au pompage. Les déformations verticales maximales observées sont importantes (~ 1 cm) et directement liées au pompage. La déformation maximale n’est pas localisée autour du puits de pompage, mais indiquent une structure Nord – Sud qui correspond à la principale structure perméable mise en évidence par les forages. La déformation verticale peut-être un outil intéressant pour imager les structures hydrologiquement actives souterraines.

Figure: Structure et comportement des structures actives profondes en conditions naturelles (gauche) et Déformation vertical après 1 mois de pompage. La déformation vertical maximale est de 1 cm (droite)

Modélisation

Une interprétation robuste des déformations mesurées en termes de structures perméables souterraines nécessite des outils de modélisation particulière en poroélasticité.

Pierre Gavrilenko est en train de développer un code 3D pour modélisation flux, pression et déformation élastiques en contexte hétérogènes. Les principales difficultés sont liées :

1.       L’hétérogénéité des milieux et la nécessite de modéliser un ensemble de structure sur une gamme d’échelles spatiales importante. Des méthodes de « moyennage » particulières sont nécessaire pour intégrer l’impact des structures perméables sous-maille.

2.       La grande sensibilité de la déformation inclinométrique aux structures locales, ce qui nécessite un traitement particulier des forts contrastes de perméabilité (comportement du puits en particulier).

Les résultats sont encourageants et nous commencerons des études paramétriques pour identifier l’intérêt de l’inclinométrie et des déformations verticales pour contraindre les structures perméables actives, avant toute application sur des données réelles.

Figure: a) Champ de perméabilité, fracture principale (rectangle noir) et puits de pompage (en rouge) La fracture a une perméabilité plus importante de 4 ordres de magnitude par rapport à l’encaissant. b) Champ de pression modélisé (coupe verticale), après 2 heures de pompage à un débit de 1000m3/jour. c) Déformation associée (max =7 mm). L’emmagasinement spécifique est de 2. 10-5 m-1.. A noter la dissymétrie associée à la présence de la fracture.