POITIERS

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Description

Responsable du site de Poitiers : Gilles Porel

Le Site Expérimental Hydrogéologique (SEH) de Poitiers a été développé par l’équipe IC2MP/Hydrasa (UMR CNRS 7285), dans le cadre du Réseau National de Sites Hydrogéologiques (SNO H+) et des programmes »EAUX » de la région Poitou-Charentes (CPER 2002-2006 et 2007-2013). Situé 2 km à l’Est du Campus Sciences de l’Université de Poitiers, le SEH couvre une superficie de 12 hectares sur des terrains appartenant à l’Université (Site du Deffend). D’un point de vue géologique, le SEH est implanté sur le versant nord du « Seuil du Poitou », vaste plateau carbonaté Mésozoïque marquant la transition entre les bassins sédimentaires Aquitain et Parisien (Fig. 1).

Localisation du SEH

Les calcaires jurassiques, qui reposent sur un socle cristallin Hercynien, renferment deux aquifères superposés : (i) l’aquifère du Lias inférieur et moyen (de 5 à 10 m d’épaisseur), et (ii) l’aquifère du Dogger (100 m d’épaisseur). Ces deux aquifères sont séparés par l’aquitard marneux du Toarcien (20 m d’épaisseur). Les études menées sur le SEH se focalisent essentiellement sur l’aquifère du Dogger.

Le dispositif expérimental comprend aujourd’hui 35 forages, dont deux forages carottés verticaux et deux forages carottés obliques. Ces forages ont été réalisés en deux phases séparées : 2002-2003 et 2004. Tous les forages traversent l’intégralité de l’aquifère du Dogger (profondeur des forages = 125 m). La plupart sont implantés selon un maillage régulier dans un carré de 210 × 210 m (Fig. 2).

Disposition des forages du SEH

Les forages du SEH sont soit non tubés, soit équipés de tubages crépinés sur toute l’épaisseur de l’aquifère du Dogger. Le niveau piézométrique dans les forages correspond donc à une charge hydraulique moyenne sur l’épaisseur de l’aquifère. En conditions d’écoulement naturel, les niveaux piézométriques varient de 15 m à 25 m par rapport à la surface du sol. Lors de la foration, des calcaires argileux secs ont été systématiquement observés jusqu’à une profondeur d’environ 30 m, indiquant ainsi que l’aquifère du Dogger est captif sous cette formation faiblement perméable. Deux forages supplémentaires ont été réalisés jusqu’au socle cristallin (forages C2 et IM1, environ 160 m de profondeur), afin de pouvoir enregistrer les charges hydrauliques dans l’aquifère du Lias inférieur et moyen lors des tests hydrauliques réalisés dans les autres forages. Aucune perturbation de charge n’a jamais été observée dans l’aquifère du Lias inférieur et moyen, démontrant ainsi que les deux aquifères sont bien isolés l’un de l’autre par les marnes toarciennes.

Depuis 2002, les investigations menées sur le SEH ont permis de recueillir une importante quantité de données concernant l’aquifère du Dogger. Ces données, aujourd’hui archivées dans la base de données H+ (de Dreuzy et al. 2006), concernent :

  • La structure géologique du réservoir : stratigraphie/lithologie sur deux forages carottés (Bourbiaux et al. 2007), imagerie sismique 3D du réservoir (Mari and Porel 2008, Mari et al 2009, Torrese et al 2015, Mari and Porel 2016a, 2016b, 2016c), diagraphies en rayonnement Gamma, imagerie acoustique, caméra haute résolution (Audouin 2007) ;
  • Les propriétés pétrophysiques des roches carbonatées : mesures de porosité et de perméabilité en laboratoire sur des échantillons de carottes (Chatevaire 2006, Bourbiaux et al. 2007) ;
  • La structure des écoulements dans les forages :, débitmétrie heat-pulse (Audouin et al. 2008) ; diagraphies température-conductivité (Chatelier et al 2011)
  • La dynamique de la nappe en conditions d’écoulement « naturel » (Bernard and Delay 2008) et/ou forcé : tests de pompages (Delay et al. 2004, Bernard 2005, Bernard et al. 2006, Delay et al. 2007, Kaczmaryk and Delay 2007a, Kaczmaryk and Delay 2007b, Riva et al 2009, Ackerer and Delay 2010, Delay et al 2011, Delay et al 2012, Sanchez-Vila et al 2016) et chocs hydrauliques (Audouin 2007, Audouin and Bodin 2007, Audouin and Bodin 2008).
  • La dynamique du transport (non réactif) en écoulement forcé : expériences de traçages à la fluorescéine.

Ces différentes investigations ont permis d’atteindre un degré de caractérisation inégalé au plan national dans ce type de milieu.

L’analyse croisée des données de débitmétrie verticale et des imageries de parois des forages indique que les écoulements sont principalement associés à des structures karstiques subhorizontales et des fractures subverticales. Les niveaux karstiques sont irrégulièrement répartis sur le SEH mais apparaissent fortement corrélés avec des niveaux stratigraphiques précis (- 50m, – 85m, et -110 m au niveau du SEH, cf. Fig. 3). La connectivité hydraulique des différents niveaux karstiques horizontaux semble assurée par la fracturation verticale des calcaires (Audouin et al. 2008).

Structures discrètes de forte perméabilité relative, identifiées à partir des données de débitmétrie verticale et de l’imagerie haute résolution de parois des forages. Audoin et al. 2008.

L’hétérogénéité 3D du réservoir a également été caractérisée par des expériences géophysiques de sismique (Mari and Porel 2008, Mari et al 2009, Torrese et al 2015, Mari and Porel 2016a, 2016b, 2016c, Fig. 4). La distribution verticale des pseudo-vitesses sismiques issues de données de réflexion montrent de fortes corrélations avec les données de débitmétrie verticale dans les forages, les zones de faibles vitesses correspondant aux niveaux de forte perméabilité relative.

La distribution verticale et les cartes des pseudo-vitesses sismiques issues du bloc 3D des profondeurs différents: 50 m (A), 88 m (B), 92 m (C), & 102 m (D). Mari and Porel, 2008.

Deux séries d’expériences de pompages ont été réalisées en 2004 et en 2005 à la suite des campagnes de foration. Les valeurs de transmissivité interprétées avec la méthode de Cooper-Jacob sont relativement homogènes (variabilité ~ facteur 2) : T = 2,2 ~ 4,4×10-3 ; m2/s, alors que les valeurs d’emmagasinement présentent une variabilité plus importante (3 ordres de grandeur) : 3,6×10-4 < S < 2,8×10-1. Cette différence d’hétérogénéité entre les valeurs de T et S est vraisemblablement un artefact lié à la méthode de Cooper-Jacob (voir, e.g., Meir et al. 1998, Sanchez-Vila et al. 1999). D’autres méthodes ont été développées et testées : (i) un modèle basé sur des lois d’échelle fractales (Delay et al. 2004, Bernard et al. 2006), (ii) un modèle double-milieu homogène (Delay et al. 2007 ; Kaczmaryk and Delay 2007a,b), et (iii) un modèle double-milieu fractal (Delay et al. 2007, Kaczmaryk and Delay 2007a,b), (iv) une approche de modélisation stochastique (Riva et al. 2009), (v) une approche intégrant la notion de non-réciprocité (Delay et al. 2011, Delay et al. 2012, Sanchez-Vila et al. 2016). Certains de ces modèles permettent d’ajuster de manière satisfaisante les courbes de rabattement expérimentales, mais pour chaque série d’interprétations, les valeurs d’emmagasinement demeurent beaucoup plus variables que les valeurs de transmissivité. La forte variabilité relative des paramètres d’emmagasinement s’explique par le comportement atypique des courbes de rabattement qui, le plus souvent, semblent ne pas dépendre de la distance entre le puits de pompage et les puits d’observations (Fig. 5).

Courbes de rabattements, 2005

Selon Kaczmaryk and Delay (2007b), ce comportement atypique pourrait s’expliquer par une propagation très rapide de la dépression de pompage dans les chenaux d’écoulements préférentiels (fractures et/ou chenaux karstiques). Cette interprétation est cohérente avec la propagation très rapide des perturbations de pression enregistrées par Audouin and Bodin (2008) lors des expériences de cross-borehole slug tests (Fig. 6). Durant certaines expériences, des perturbations ont été enregistrées à plus de 100m du puits testé avec des vitesses pouvant atteindre 10 m/s. Les conductivités hydrauliques interprétées à partir des données de cross-borehole slug tests sont comprises entre 4,4×10-5 et 7,7×10-4 m.s-1. Ces valeurs sont environ dix fois plus élevées que celles issues de l’interprétation des expériences de pompage. Compte-tenu de la rapidité des réponses observées, la perturbation de charge induite par un slug test semble ne se propager que dans les chemins d’écoulement préférentiels, alors que les expériences de pompage impliquent le système aquifère dans sa globalité en raison des capacités d’emmagasinement limitées des fractures et des chenaux karstiques. La « sélectivité » des slug tests permettrait donc de caractériser spécifiquement les propriétés hydrauliques des chemins d’écoulement préférentiels.

Perturbations de pression enregistrées lors du cross-borehole slug test réalisé dans le puits M19

Le SEH constitue une plateforme scientifique opérationnelle pour l’accueil de projets scientifiques d’envergure nationale et internationale.

  • Un exemple est le projet INSU/EC2CO/MACH (Modélisation des Aquifères Calcaires Hétérogènes, 2007-2010). Huit équipes de recherches ont été impliquées dans ce projet qui visait à analyser la pertinence de différentes approches conceptuelles/numériques de modélisation hydrogéologique en s’appuyant sur la base de données H+ / SEH. Le principal objectif était d’analyser dans quelle mesure la variabilité et la densité des données du SEH pouvaient être pertinentes et suffisantes en termes de contraintes / paramétrisation / calibration pour conférer aux modèles une certaine capacité de prédiction. L’exercice de modélisation consistait à prédire la réponse de la nappe (calcul de rabattements au niveau de plusieurs piézomètres) lors de deux expériences de pompage en dipôle (injection-prélèvement) dans deux doublets de puits (Fig. 7). Ces expériences de pompages ont été réalisées a posteriori, i.e. une fois que les prédictions « numériques » eurent été fournies par chaque équipe. Un tel benchmark de modélisation hydrogéologique en milieu calcaire est une première à l’échelle internationale. Les autres benchmarks de ce type réalisés dans le passé ont porté sur des environnements cristallins, essentiellement en relation avec les études internationales sur le stockage de déchets radioactifs dans les formations géologiques peu perméables (e.g., projets ÄSPÖ TASK 4 ou DECOVALEX). Ces projets ont montré l’intérêt des confrontations entre modèles et sites expérimentaux. Le projet MACH-1 permettra d’analyser le coût nécessaire et suffisant en terme (i) de données (approches continues/discrètes) et (ii) de calculs numériques (approches 2D/3D) pour réaliser une modélisation optimale des flux à cette échelle.
  • Collaboration Hydrasa-Polimi : en 2007, deux chercheurs de l’Université Politecnico di Milano, Monica Riva et Alberto Guadagnini, ont séjourné durant 3 mois au laboratoire Hydrasa afin d’étudier l’applicabilité de différentes approches stochastiques sur les données du SEH. Les données des expériences de pompage ont été réinterprétées avec la méthode stochastique de Neuman et al. (2004, 2007), aboutissant à une estimation des paramètres géostatistiques décrivant la variabilité spatiale du logarithme des transmissivités. Les résultats obtenus (publication conjointe soumise en 2008 à Journal of Hydrology) indiquent une dépendance d’échelle de la variance et de la longueur de corrélation, en complète adéquation avec la théorie multi-échelle hiérarchique proposée par Neuman and Di Federico (2003) et Neuman et al. (2008).

Les thèmes qui seront développés sur le SEH dans les années à venir peuvent se décliner selon deux axes :

Axe 1 : Caractérisation des chenaux d’écoulements préférentiels

  • La densité spatiale des forages du SEH sera mise à profit pour développer de nouvelles approches dans la caractérisation et la modélisation des flux dans les milieux hétérogènes fortement chenalisés.
  • Distribution spatiale 3D des hétérogénéités et géométrie individuelle des structures discrètes de forte perméabilité relative : une nouvelle campagne d’imagerie sismique 3D haute résolution est planifiée en 2009, en collaboration avec l’Institut Français du Pétrole. Cette seconde campagne permettra (i) de valider les résultats de la première campagne et (ii) de compléter la couverture spatiale du SEH (taux de couverture actuel ~ 1/3).
  • Connectivité : La connectivité relative inter-forages sera analysée sur la base (i) des données de sismique 3D haute résolution, (ii) des valeurs de diffusivité issues de l’interprétation des expériences de pompage longue durée (voir, e.g., Knudby and Carrera 2006), (iii) des valeurs de diffusivité issues de l’interprétation des slug tests, et (iv) des données hydrodynamiques à temps court – haute fréquence (2 Hz) qui seront acquises d’une prochaine série d’expériences de pompage.
  • Propriétés hydrauliques : les propriétés hydrauliques des chenaux d’écoulement préférentiels seront analysées à partir (i) des données de cross-borehole slug tests, (ii) des données de cross-borehole flowmeter tests (expériences à réaliser en collaboration avec l’équipe de Rennes), et (iii) des données hydrodynamiques à temps court – haute fréquence (2 Hz) qui seront acquises lors d’une prochaine série de tests hydrauliques multipôles (expériences avec prélèvements et réinjections multiples), permettant de solliciter le réseau de chenaux d’écoulements préférentiels à différentes échelles.
  • Conditions aux limites : La paramétrisation des conditions aux limites dans les modèles du projet MACH1 est délicate compte-tenu de la forte chenalisation des écoulements, i.e. il est difficile de préciser la distance au delà de laquelle l’influence d’un pompage peut, à un instant donné, être considérée comme « négligeable ». La propagation à moyenne et longue distance des perturbations de pression à l’extérieur du SEH sera investiguée en mettant en place de nouveaux capteurs « éloignés » et en réalisant des expériences de pompage avec des signaux périodiques.

Axe 2: Transport réactif et interactions fluides-roche

  • Dénitrification in situ : Le laboratoire Hydrasa et le Laboratoire de Chimie de l’Eau et de l’Environnement de Poitiers développent actuellement conjointement un pilote de décontamination biochimique in-situ des eaux souterraines vis-à-vis des nitrates (Thèse Marion Chatelier). Des expériences de laboratoire sont actuellement en cours afin d’étudier les cinétiques des processus biochimiques mis en jeu. Les prochaines expériences seront réalisées à l’échelle du terrain, en commençant par des traçages associés à des tests de pompage en doublet afin de caractériser les flux de dilution et l’hydrodispersion du contaminant dans le réacteur.
  • Origine et dynamique du sélénium dans les aquifères carbonatés : La présence de sélénium dans les eaux souterraines à des concentrations supérieures à la norme en vigueur pour les eaux potables (10 µg/l) est un problème rencontré dans plusieurs régions de France. Dans le département de la Vienne, les suivis hydrochimiques réalisés sur plusieurs captages AEP de la nappe du Dogger (aquifère du SEH) montrent une évolution temporelle des teneurs en sélénium au-delà d’un certain temps depuis la mise en exploitation du captage. Certaines analyses lithochimiques réalisées récemment sur les carottes des forages du SEH indiquent que des teneurs importantes de sélénium sont piégées dans des poches de remplissages de paléokarst, disséminées au sein du réservoir carbonaté. Les modifications de conditions Redox liées au pompage pourraient être à l’origine d’un relargage du sélénium dans les eaux souterraines, d’où une augmentation progressive des concentrations dans les flux d’eau prélevés. Des études seront menées afin d’analyser le bien fondé de cette hypothèse en se basant sur (i) une caractérisation physico-chimique détaillée (XRD, MEB, XPS) de la spéciation du sélénium présent dans les poches de remplissage, (ii) une caractérisation de(s) mécanisme(s) de libération du sélénium par la matrice solide via des expérimentations de laboratoire (batchs) couplées à des simulations thermodynamiques (JCHESS, PHREEQC, FITEQL), et (iii) une modélisation numérique des flux réactifs à l’échelle du réservoir. Cette modélisation sera abordée selon une conceptualisation « Pipe-Flow » des chemins d’écoulements couplée à des méthodes numériques lagrangiennes dans le domaine des temps (technique dont l’équipe de Poitiers possède l’expertise pour simuler des problèmes de transport non réactifs, voir, e.g., Bodin et al. 2003, Delay et al. 2005, Bodin et al. 2007, Ubertosi et al. 2007, Delay et al. 2008). Le challenge sera ici de développer un algorithme stochastique en accord avec les processus d’interactions eau-roche préalablement identifiés en laboratoire.

Références

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