Chimie des eaux du calcaire carbonifère - infoterre.brgm.frinfoterre.brgm.fr/rapports/RP-59671-FR.pdf · Chimie des eaux du calcaire carbonifère Rapport final BRGM/RP-59671-FR Février

Chimie des eaux du calcaire carbonifre

Rapport final

BRGM/RP-59671-FR Fvrier 2011


Rapport final

BRGM/RP-59671-FR Fvrier 2011

tude ralise dans le cadre des projets de Service public du BRGM 2010 09EAUK59

V. Petit Avec la collaboration de

J.F. Vanhecke, F. Crastes de Paulet et J. Bastien

Vrificateur :

Nom : L. Gourcy

Date : 02/03/2011

Signature :

Approbateur :

Nom : J.R. Mossmann

Date : 07/03/2011

Signature :

En labsence de signature, notamment pour les rapports diffuss en version numrique, loriginal sign est disponible aux Archives du BRGM.

Le systme de management de la qualit du BRGM est certifi AFAQ ISO 9001:2008.

I

M 003 - AVRIL 05

Mots cls : CHIMIE HYDROCHIMIE CALCAIRE CARBONIFERE EAU SOUTERRAINE ISOTOPES NORD FLANDRE WALLONNIE LILLE METROPOLE COMMUNAUTE URBAINE FRANCE BELGIQUE En bibliographie, ce rapport sera cit de la faon suivante : Petit V., Vanhecke J.F., Crastes de Paulet F., Bastien J. (2011) - Chimie des eaux du calcaire carbonifre BRGM/RP-59671-FR - Rapport final 195 p., 58 ill., 5 ann. BRGM, 2011, ce document ne peut tre reproduit en totalit ou en partie sans lautorisation expresse du BRGM.


BRGM/RP-59671-FR Rapport final 3

Synthse

En raison de son exploitation des deux cts de la frontire, laquifre des calcaires carbonifres reprsente une importance conomique considrable pour la rgion. Les eaux de cet aquifre transfrontalier ont fait lobjet d'un nombre important danalyses physico-chimiques ralises par diffrents laboratoires sur une priode denviron un sicle. Cependant, du point de vue hydrochimique, cet aquifre est mal connu, car aucune synthse actualise de ces donnes n'est disponible actuellement. Lobjet de ce rapport est de prsenter une premire analyse des donnes disponibles, afin dtablir un tat des lieux de la qualit chimique des eaux de la nappe, et de retracer son volution depuis plusieurs dcennies.

Aprs slection des donnes, 25 000 analyses ont t utilises pour raliser cette synthse. Les principaux rsultats obtenus sont les suivants :

La signature chimique dun mme point de mesure reste stable depuis au moins 1990 (date de dbut des chroniques belges disponibles).

Le facis chimique de la nappe volue selon le sens dcoulement gnral de leau. Bien que gardant un caractre bicarbonat calcique, le ple sodique se dveloppe travers les terrains traverss.

Les sulfates semblent avoir une double origine (oxydation de pyrite et dissolution danhydrite). Cependant, les plus fortes concentrations en sulfate sont dues essentiellement la dissolution danhydrite.

Daprs les analyses isotopiques, leau de cette nappe ne semble pas avoir subi de mlange avec une solution de composante marine ou vaporitique.

La dissolution de la calcite et de la dolomite est un phnomne gnralis lensemble de laquifre.

Dans la partie captive de laquifre, un phnomne dchange de bases avec des argiles riches en sodium et potassium a t mis en vidence. La forte augmentation du bore et du fluor dans cette zone ne provient pas (au moins en totalit) des aquifres sus-jacents de la craie sno-turonienne et des sables landniens. Ces lments ne peuvent donc pas tre utiliss comme marqueurs dune drainance depuis ces niveaux.

Les dosages des nitrates ont dmontr lexistence possible dune barrire redox. Nanmoins, ce constat na pas t confirm par ltude dautres ions tels que le fer et le manganse.

Lanalyse en composantes principales tendrait montrer lexistence de trois groupes deaux distincts. Cette information permet de suggrer dinclure les zones de prlvements lors de la future campagne dchantillonnage.

Cette synthse hydrogochimique des donnes sur la nappe des calcaires carbonifres a fait lobjet dun mmoire de Master dHydrologie, Hydrogologie et Sol de la Facult dOrsay (Jean-Franois Vanhecke).


4 BRGM/RP-59671-FR Rapport final



Sommaire

1. Introduction .......................................................................................................... 11

2. Prsentation du projet SCALDWIN ..................................................................... 13

3. Contenu de ltude ............................................................................................... 15

4. Contexte naturel ................................................................................................... 17

4.1. EXTENSION GEOGRAPHIQUE ..................................................................... 17

4.2. STRUCTURE .................................................................................................. 19

4.3. LITHOLOGIE ................................................................................................... 21

5. Caractristiques hydrogologiques ................................................................... 23

5.1. CARACTERISTIQUES DU RESERVOIR ........................................................ 23

5.2. ZONES DE RECHARGES .............................................................................. 23

5.3. ZONE EXUTOIRE DE LA NAPPE ................................................................... 23

5.4. EVOLUTION ET ETAT ACTUEL DE LA PIEZOMETRIE ................................. 24

6. Recueil et slection des donnes ....................................................................... 29

6.1. METHODE ...................................................................................................... 29

6.2. RECUEIL DES DONNEES .............................................................................. 29

6.3. PREMIER TRI ................................................................................................. 29

6.4. EXPLOITATION DES CHRONIQUES ............................................................. 30

6.4.1. Chroniques disponibles .......................................................................... 30

6.4.2. Caractristiques gnrales : stabilit du systme ................................... 31

6.4.3. Le cas du sulfate .................................................................................... 33

6.5. CONCLUSION SUR LE CHOIX DE LA VALEUR REPRESENTATIVE ........... 36

7. Chimie des eaux du calcaire carbonifre ........................................................... 39

7.1. TRAITEMENT DES DONNEES ....................................................................... 39

7.2. CARACTERISTIQUES GLOBALES ................................................................ 40



7.2.1. Paramtres physico-chimiques .............................................................. 40

7.2.2. Diagramme de Piper gnral .................................................................. 45

7.2.3. Rpartition gographique ....................................................................... 47

7.3. DIAGRAMMES BINAIRES .............................................................................. 48

7.3.1. Elments majeurs .................................................................................. 48

7.3.2. Rapport entre lments .......................................................................... 55

7.3.3. Elments mineurs .................................................................................. 55

7.3.4. Synthse des informations ..................................................................... 57

7.4. EVOLUTION SELON LE SENS DECOULEMENT .......................................... 57

7.4.1. Elments majeurs .................................................................................. 57

7.4.2. Elments mineurs .................................................................................. 61

7.4.3. Synthse de ltude de la variabilit chimique des eaux selon le sens de lcoulement ........................................................................................... 63

7.5. ECHANGE DIONS ......................................................................................... 64

7.6. MARQUEURS DE DRAINANCE AVEC LA CRAIE ET LE SABLE SUS-JACENT65

7.7. ETUDE ISOTOPIQUE ..................................................................................... 68

7.7.1. Datation par 14C ..................................................................................... 69

7.7.2. Autres analyses isotopiques ................................................................... 70

8. Analyse en Composantes Principales ................................................................ 77

8.1. PRINCIPE ....................................................................................................... 77

8.2. PARAMETRES CHIMIQUES RETENUS ......................................................... 77

8.3. ETUDE DES AXES DINERTIES ..................................................................... 78

8.4. ETUDE DES VARIABLES ............................................................................... 80

8.5. CARACTERISATION DES GROUPES ........................................................... 83

8.6. PRINCIPALES CORRELATIONS POSITIVES ENTRE LES VARIABLES ....... 83

8.7. CONCLUSION DE LANALYSE EN COMPOSANTES PRINCIPALES ............ 85

9. Conclusion ........................................................................................................... 87

10. Bibliographie ....................................................................................................... 89



Liste des illustrations

Illustration 1 : Flandre Artois Extrait de la carte gologique au 1/1 000 000, BRGM, 1996, limite dtudes(Source : Youssof, 1973). ........................................................................... 17

Illustration 2 : Extension gographique de la nappe des calcaires carbonifres (Source : Youssof, 1973). ............................................................................................................................ 18

Illustration 3 : Ecorch gologique ant-Msozoique (Source Armines/BRGM). ........................ 19

Illustration 4 : Coupe NNO-SSE au niveau du synclinal de Roubaix, selon le trac AB (voir Illustration 2. (Source : Youssof, 1973). ............................................................................... 20

Illustration 5 : Coupe gologique SW NE du bassin hydrogologique de la rgion lilloise selon le trac CD (Source : Beckelynck et al, 1983). ........................................................ 20

Illustration 6 : Carte pizomtrique des Calcaires Carbonifres en 1910. (Source : Beckelynck et al, 1983). ............................................................................................... 24

Illustration 7 : Carte pizomtrique des Calcaires Carbonifres en 1973) (Source : Youssof, 1973).. ........................................................................................................... 25

Illustration 8 : Carte pizomtrique ralise en 2006 par A. Rorive (Universit de Mons) et S. Pinson (BRGM) . .................................................................................................................. 25

Illustration 9 : Sens d'coulement, limite de captivit et forages tudis de la nappe des calcaires carbonifres. ................................................................................................................. 26

Illustration 10 : Localisation des forages possdant des chroniques longues. ............................ 30

Illustration 11: Traitement statistique des analyses chimiques de quatres forages du calcaire carbonifre. ..................................................................................................................... 31

Illustration 12 : Evolution des concentrations en oxygne dissous dans l'eau de plusieurs forages. ......................................................................................................................... 32

Illustration 13 : Evolution de la temprature de l'eau de plusieurs forages. ................................ 32

Illustration 14 : Evolution des concentrations en sulfates en fonction du temps de quelques forages en France. ....................................................................................................... 34

Illustration 15 : Localisation des quatre forages slectionns. .................................................... 35

Illustration 16 : Diagrammes de Piper des quatre forages slectionns. .................................... 36

Illustration 17 : Evolution de la condutivit selon la direction d'coulement gnral (en trait discontinu est reprsent le front rdox dfini gologiquement). ......................................... 40

Illustration 18 : Tableau des analyses moyennes des trois parties de l'aquifre, et des quatres forages avec forte conductivit . ..................................................................................... 41

Illustration 19 : Concentrations moyennes en lments majeurs. ............................................... 42

Illustration 20 : Evolution de la temprature de leau suivant la direction gnrale d'coulement. ............................................................................................................................... 43

Illustration 21: Evolution du pH suivant la direction gnrale dcoulement. ............................... 44

Illustration 22 : Evolution de la concentration en oxygne dissous suivant la direction gnrale dcoulement. ................................................................................................................ 45

Illustration 23 : Diagramme de Piper sur l'ensemble des analyses moyennes depuis 1990. ............................................................................................................................................ 46



Illustration 24 : Rpartition gographique des trois groupes d'eau dfinis sur le diagramme de Piper gnral. ....................................................................................................... 47

Illustration 25 : Relation entre les nitrates et les chlorures. ......................................................... 49

Illustration 26 : Relation entre le calcium, le magnesium, les bicarbonates et les chlorures....................................................................................................................................... 50

Illustration 27 : Graphiques reprsantant la dissolution de la calcite et de la dolomite. .............. 51

Illustration 28 : Relation sulfate chlorure (meq/L). ....................................................................... 52

Illustration 29 : Relation entre le calcium et les sulfates. ............................................................. 53

Illustration 30 : Relation entre HCO3+SO4 et Ca+Mg. ................................................................. 53

Illustration 31 : Relation entre le sodium et les chlorures. ........................................................... 54

Illustration 32 : Relation entre Ca/Cl et Na/Cl. ............................................................................. 55

Illustration 33 : Relation entre le fer, le manganse et l'oxygne. ............................................... 56

Illustration 34 : Evolution des concentrations en lments majeurs dans l'eau des calcaires carbonifres selon l'axe recharge-exutoire. .................................................................. 58

Illustration 35 : Evolution des indices de saturation vis vis de la calcite et dolomite le long de lcoulement. ................................................................................................................... 60

Illustration 36 : evolution de la concentration en lments mineurs selon l'coulement gnral de la nappe. .................................................................................................................... 62

Illustration 37 : Mise en vidence de lchange de bases. .......................................................... 64

Illustration 38 : Localisation des forages de la craie sno-turonienne et du sable landnien. ..................................................................................................................................... 66

Illustration 39 : Comparaison de lvolution des teneurs en bore contenue dans l'eau des calcaires du Carbonifre, de la nappe de la craie et de la nappe des sables landniens. ................................................................................................................................... 66

Illustration 40 : Localisation des forages exploitant la craie dont les analyses en fluor sont disponibles. .......................................................................................................................... 67

Illustration 41 : Comparaison de lvolution des teneurs en fluor contenue dans l'eau du calcaire et de la craie. .................................................................................................................. 68

Illustration 42 : Localisation des forages avec analyses isotopiques disponibles. ...................... 69

Illustration 43 : Evolution des teneurs en tritium selon le sens d'coulement.............................. 71

Illustration 44 : Evolution du 34

S selon le sens d'coulement. ................................................... 71

Illustration 45 : Evolution du 2H et du

18O le long de l'coulement........................................... 73

Illustration 46 : Relation entre les concentrations en sulfate et le 34

S. ...................................... 73

Illustration 47 : Relation entre le 2H et le

18O. ......................................................................... 74

Illustration 48 : Variables utilises lors de la premire ACP. ....................................................... 77

Illustration 49 : Variables utilises lors de la seconde ACP. ........................................................ 78

Illustration 50 : Pourcentages d'information porte par les diffrents axes d'inertie. ................... 78

Illustration 51 : Projection des variables suivant les deux premiers axes d'inertie. ..................... 79



Illustration 52 : Contribution des paramtres linertie des principaux axes de lACP ............... 80

Illustration 53 : Projection des individus sur les axes d'inertie 1 et 2 [carr rouge = aquifre captif ; disque bleu = aquifre libre sous couverture ; triangle vert = aquifre libre affleurant]. ............................................................................................................................ 81

Illustration 54: Rpartition gographique des groupes mis en vidence par l'ACP. .................... 82

Illustration 55 : Tableau des moyennes, minima, maxima pour chacune des variables.............. 83

Illustration 56 : Corrlations positives suprieures 85% du groupe 1. ...................................... 84



Liste des annexes

Annexe 1 Liste des sigles utiliss ............................................................................................... 93

Annexe 2 Chroniques danalyses de laquifre du calcaire carbonifre ..................................... 97

Annexe 3 Traitement statistique des chroniques danalyses de laquifre des calcaires carbonifre ................................................................................................................................. 145

Annexe 4 Donnes isotopiques disponibles sur la nappe des calcaires carbonifre ............... 153

Annexe 5 Analyse en composantes principales sur les calcaires carbonifres (Universit de Mons) .................................................................................................................. 157



1. Introduction

Laquifre franco-belge des calcaires carbonifres est constitu essentiellement des calcaires dolomitiques du Visen, disposs en un vaste synclinal dorientation est-ouest, stendant du Hainaut occidental belge lagglomration de Lille-Roubaix-Tourcoing. La recharge de cet aquifre seffectue naturellement au niveau des affleurements calcaires sur le territoire belge, ainsi que par drainance des aquifres sus-jacents des terrains mso-cnozoques. La nappe est dabord libre dans la zone daffleurement, puis devient captive sous les marnes crayeuses du Cnomanien et du Turonien. Lessentiel de lcoulement souterrain se ralise depuis lest vers louest.

Laquifre est exploit pour les besoins en eau potable et industrielle en France et en Belgique, au niveau des communes de Wattrelos, Roubaix, Tourcoing, Lille, Tournai. Cette exploitation nest pas rpartie de manire uniforme sur l'ensemble de la nappe. Lvolution du tissu industriel a toutefois modifi ce schma de lexploitation de la nappe : des forages ont t progressivement abandonns et rebouchs, entrainant une stabilisation et mme parfois une remonte du niveau pizomtrique de la nappe depuis quelques annes.

Avant limportante exploitation de cet aquifre, les cours deau comme lEscaut, la Marque et la Dendre constituaient ses principaux exutoires naturels, situs dans la partie libre. Puis, la baisse rgulire des niveaux pizomtriques a induit une inversion naturelle des flux entre les cours deau et laquifre.

Cette nappe est la troisime ressource1 en eau potable de la mtropole lilloise, reprsentant 19% de la production totale de lagglomration (Roux, 2006). Ses besoins en eau potable sont stables. Malgr son importance conomique, cet aquifre est mal connu, notamment en ce qui concerne la chimie de leau. Les exploitants craignent une augmentation de la teneur en sulfates qui serait due loxydation de la pyrite la suite des variations de nappe observe ces dernires annes. terme, cette augmentation pourrait remettre en cause son utilisation en tant queau potable ou obligerait prvoir un traitement pralable.

Ne disposant ni dtude rcente, ni de synthse rgionale, la communaut urbaine de Lille (LMCU) et la rgion Wallonne ont entrepris une vaste tude sur le Calcaire Carbonifre. Lun des volets de cette tude sintresse l'hydrogochimie de la nappe avec l'interprtation des donnes d'analyses disponibles, afin dtablir un tat des lieux de la qualit chimique des eaux de la nappe, et de retracer son volution depuis plusieurs dcennies.

1 Aprs la nappe de la craie et les eaux de surface prleves Aire sur la Lys



Ce travail a t ralis en collaboration avec lUniversit de Mons dans le cadre du projet INTERREG SCALDWIN en partenariat avec Lille Mtropole Communaut Urbaine, et les Rgions de Wallonie et de Flandre.

Ltude a comport les tapes suivantes:

- une tude bibliographique,

- un recueil des donnes danalyses chimiques des eaux du calcaire carbonifre,

- le tri et la validation des analyses,

- un traitement des donnes,

- une interprtation des donnes.



2. Prsentation du projet SCALDWIN

Laquifre transfrontalier du Carbonifre abrite une importante ressource en eau souterraine, partage entre la Wallonie, la France et la Flandre.

Nappe surexploite au cours du XXme sicle tant pour les besoins industriels que pour lalimentation en eau potable, son niveau a fortement chut (jusqu' 85 m au forage de Roubaix 00144D0002).

Toutes les actions menes depuis 20 ans par les divers acteurs de leau de part et dautre de la frontire ont contribu diminuer les prlvements, et permettent dobserver depuis quelques annes une stabilisation du niveau, et mme une lgre remonte par endroits.

Le projet SCALDWIN regroupe huit partenaires dont les principaux concerns par les calcaires carbonifres sont LMCU et DGARNE. Ce projet INTERREG a pour but d'obtenir une meilleure qualit des eaux de surface et des eaux souterraines dans le District Hydrographique International (DHI) de lEscaut. Il aborde, dune part, le problme de la gestion de la ressource en eau des calcaires carbonifres et, dautre part, la problmatique des polders. Le BRGM et l'Universit de Mons sont des sous-traitants respectifs de LMCU et de la DGARNE.

La partie hydrochimique constitue une des phases de ltude des calcaires carbonifres dans le cadre du projet SCALDWIN. Elle est organise en plusieurs phases :

Recueil des donnes danalyses chimiques, actualisation de ltat des connaissances et interprtation de ces donnes.

Sur la base de cette synthse, organisation et dfinition dune campagne dchantillonnage des eaux du calcaire carbonifre, de laquifre dvonien sous-jacent (drainance ascendante), des aquifre des alluvions et de la craie (drainance descendante) et de la rivire de lEscaut (zone de perte). Elle dbutera au dbut 2011 (hautes eaux).

Interprtation de toutes les mesures et analyses disponibles afin de caractriser et de complter la connaissance de la structure des aquifres et de leur fonctionnement : gomtrie, composition lithologique, identification de la prsence possible de diffrents compartiments dans laquifre, reconnaissance des changes entre eau de surface et eaux souterraines, confirmation des directions de flux,...



3. Contenu de ltude

Le volet gochimique de l'tude Scaldwin comprend les tches suivantes :

Collecte des analyses disponibles auprs de plusieurs sources dinformations : ADES, BSS, AEAP, distributeurs deau en Belgique (via lUniversit de Mons).

Critique des donnes (donnes incompltes, vrification des balances ioniques, teneurs singulires en nitrates dans la zone captive) et constitution dune base de donnes.

Caractrisation de lorigine des principaux lments majeurs et de quelques lments mineurs dans les eaux des calcaires carbonifres : lien avec les contextes gologiques des bassins dalimentation supposs. Examen de lvolution temporelle et gographique ventuelle des concentrations en ces lments au sein de laquifre.

Calcul des indices de saturation vis--vis des principaux minraux. Information sur ltat du systme vis--vis de latmosphre (systme ferm ou ouvert vis--vis de latmosphre).

Interprtation des donnes isotopiques (18O, 2H, tritium, 34S) : sagit-il deau ancienne (ant 1952), deau rcente (quelques annes) ou dun mlange entre une eau ancienne et une eau rcente ? Quelle est la source du sulfate dans laquifre ? Discussion des rsultats et proposition du type de dtermination complmentaire raliser dans le cas dune eau ancienne.

Sur la base des donnes existantes et de leur interprtation, un programme dtude complmentaire sera dfini, puis initi en automne 2010.



4. Contexte naturel

Les calcaires carbonifres datent du Visen et du Tournaisien, et sont regroups dans lpoque dinantienne (Carbonifre infrieur), soit de -355 -325 millions d'annes.

4.1. EXTENSION GEOGRAPHIQUE

La rgion Nord-Pas-de-Calais correspond la bordure nord du bassin parisien (Illustration 1). Le bassin parisien est un bassin sdimentaire constitu par lempilement de couches alternativement meubles ou cohrentes qui se relvent sa priphrie en formant des formes structurales lmentaires de type cuesta ou boutonnire (boutonnire jurassique du Boulonnais).

Il comprend lensemble des terrains post-palozoques qui sappuient sur le Massif Armoricain louest, le Massif Central au sud, les Vosges lest et le massif des Ardennes au nord-est. Il est largement ouvert vers le nord, o le bassin belge en est la continuit naturelle, et vers la Manche, au-del de laquelle on retrouve des assises semblables au sud de lAngleterre.

Illustration 1 : Flandre Artois Extrait de la carte gologique au 1/1 000 000, BRGM, 1996, limite dtudes(Source : Youssof, 1973).



Laquifre des calcaires carbonifres franco-belges stend du Hainaut occidental belge lagglomration Lille Roubaix Tourcoing (Illustration 1).

Il est limit au nord et louest par le socle silurien (schistes) et les formations du Dvonien moyen et suprieur. Au sud, les calcaires carbonifres plongent sous les formations du Namurien et du Westphalien (terrain houiller). Laquifre stend vers lest, dans le Hainaut occidental belge (nord-est de la Wallonie) et sous le bassin de Mons (Illustration 2).

Illustration 2 : Extension gographique de la nappe des calcaires carbonifres (Source : Youssof, 1973).

Dans la rgion lilloise, sa profondeur est faible moyenne (de 50 150 m), alors que dans le bassin minier du Nord et du Pas-de-Calais, o il senfonce profondment sous le gisement houiller, sa profondeur peut excder 2000 m. Bien que les formations du calcaire carbonifre soient aquifres sur toute leur extension, cest au niveau de la rgion de Lille en France, et de Pecq-Tournai en Belgique qu'il est le plus exploit. En France, laquifre sus-jacent aux calcaires est celui de la craie sno-turonienne qui devient captif et peu productif dans la rgion Lilloise. Au sicle dernier, la rgion de Lille, Roubaix et Tourcoing a connu un dveloppement industriel (filature, blanchisserie) et dmographique important. La demande en eau a pu tre satisfaite grce lexploitation intensive des calcaires carbonifres.

A

B

C

D

BASSIN DE MONS



4.2. STRUCTURE

La zone des calcaires carbonifres est affecte par de nombreux plis et failles dorientation gnrale est-ouest. On distingue notamment lanticlinal du Mlantois-Tournaisis, avec des failles dorientation gnrale est-ouest et de pendages faibles, visibles en particulier au niveau des carrires de la rgion de Tournai, et le synclinal de Roubaix plus au nord (Illustration 3). Cette structuration a t mise en place durant lorogense hercynienne.

Illustration 3 : Ecorch gologique ant-Msozoique (Source Armines/BRGM).

Le pendage du calcaire carbonifre visible sur la coupe gologique AB au niveau du synclinal de Roubaix, atteint environ 2,8 ouest (Illustration 2 et Illustration 4).



Illustration 4 : Coupe NNO-SSE au niveau du synclinal de Roubaix, selon le trac AB (voir

Illustration 2. (Source : Youssof, 1973).

Cette coupe montre quau niveau du synclinal de Roubaix, le toit du calcaire carbonifre situ une altitude de 125 m lest, plonge progressivement vers louest pour atteindre -150 m au niveau de la limite avec les terrains dvoniens.

Illustration 5 : Coupe gologique SW NE du bassin hydrogologique de la rgion lilloise selon le trac CD (Source : Beckelynck et al, 1983).

B A

C D



La coupe SW-NE CD recoupe le synclinal de Roubaix au nord, lanticlinal du Mlantois et les terrains houillers au sud (Illustration 2 et Illustration 5).

4.3. LITHOLOGIE

La lithologie a t dcrite en dtail par Youssof (1973), qui distingue le Visen du Tournaisien :

Le Visen suprieur ne possde quune extension limite au niveau du Tournaisis.

La partie suprieure du Visen infrieur est forme de calcaires crinodiques plus ou moins dolomitiss (7 8% de MgO), parfois silicifis. Ils sont souvent altrs en dolomie, ou en sable dolomitique rsiduaire, par laction de la karstification wealdienne.

La partie infrieure du Visen infrieur est constitue de calcaire siliceux noir avec de nombreux cherts. Cette formation prsente des proprits aquifres moins dveloppes que la prcdente, mais elle est aussi affecte par la karstification wealdienne.

Le Tournaisien suprieur est gnralement fortement dolomitis (15 17%).

Le Tournaisien infrieur est constitu principalement de calcaires, de schistes et de calcschistes.

Une tude a montr la prsence de formations vaporitiques (anhydrite) dans les niveaux dge Visen dans la partie sud de la zone dtude dans les environs de Saint Ghislain (Mania, 1975).

En revanche, aucune tude ne mentionne la prsence de pyrite dans cet aquifre.



5. Caractristiques hydrogologiques

5.1. CARACTERISTIQUES DU RESERVOIR

Laquifre est constitu par les calcaires dolomitiques du Visen, ainsi que par les calcaires et calcschistes du Tournaisien. Lpaisseur maximale du rservoir est de lordre de 400 m dans laxe du synclinal de Roubaix, et se rduit moins de 50 m dans lanticlinal du Mlantois au sud de Lille.

La permabilit la plus leve se rencontre dans la partie suprieure karstifie de laquifre. Cette permabilit est plus leve dans la zone centrale du synclinal de Roubaix (de 7,5.10-4 2,5.10-3 m/s), moyenne dans la zone de la bordure du synclinal (2,5 7,5.10-4 m/s), et faible pour la limite est de laquifre (10-6 10-5 m/s).

Les meilleurs transmissivits se rencontrent galement au cur du synclinal de Roubaix o elles peuvent atteindre 3.10-2 m2/s. En revanche, en Belgique, les valeurs de la transmissivit descendent en dessous de 5.10-3 m2/s.

Les calcaires du Visen sont par consquent plus permables que les calcschistes et calcaires du Tournaisien. Il est donc difficile de dfinir avec prcision le mur de la nappe. Lpaisseur utile retenue par Mania dans la modlisation de 1975 est de 30 m.

Les coefficients demmagasinement ont t dduits du contexte gologique, et valus en fonction de laltration entre 0,01 et 0,2 en rgime libre, et de 10-4 5.10-5 en rgime captif.

5.2. ZONES DE RECHARGES

Lalimentation de la nappe seffectue via plusieurs mcanismes :

par infiltration des prcipitations au niveau des affleurements belges. Cest le mcanisme dalimentation dominant ;

par une alimentation partir du rseau hydrographique, les canaux de lEscaut en particulier ;

par un apport possible par drainance verticale descendante de la nappe de la craie, ou ascendante deaux profondes issues du Dvonien.

5.3. ZONE EXUTOIRE DE LA NAPPE

Laquifre est limit louest par les formations impermables schisto-grseuses du Dvonien suprieur. Les pompages situs dans la zone de Lille-Roubaix-Tourcoing-Mouscron constituent donc un exutoire artificiel de la nappe.



5.4. EVOLUTION ET ETAT ACTUEL DE LA PIEZOMETRIE

La morphologie de la surface pizomtrique a beaucoup volu au cours du temps. Cette volution traduit des changements dans le fonctionnement hydraulique de laquifre. Laugmentation progressive mais constante des pompages du dbut du XXme sicle nos jours a profondment modifi les coulements au sein de la nappe. Trois cartes permettent de sen rendre compte, lune ralise en 1910 (Illustration 6), au dbut de lexploitation, une autre en 1973 (Illustration 7) et la plus rcente en 2006 (Illustration 8).

Illustration 6 : Carte pizomtrique des Calcaires Carbonifres en 1910. (Source : Beckelynck et al, 1983).

La carte pizomtrique de 1910 (Illustration 6) traduit un tat trs proche de ltat naturel originel de la nappe malgr la prsence dun cne de dpression dj visible dans la rgion de Roubaix (cote : +5). Les zones dalimentation se situaient la fois au sud de laquifre, entre Lille et Tournai (cote + 40), ainsi qu lest, dans la zone daffleurements situe Leuze et Prulwelz (cote + 50), en Belgique. Lcoulement gnral tait orient du sud au nord, avec un gradient hydraulique variant de 0,3 0,5 %, sauf dans les valles de lEscaut et de la Dendre qui jouaient cette poque un important rle de drain.



Illustration 7 : Carte pizomtrique des Calcaires Carbonifres en 1973) (Source : Youssof, 1973)..

Sur la carte pizomtrique de 1973 (Illustration 7), on observe, par rapport la prcdente, deux parties distinctes. La premire, situe lest du Tournaisis et dans la zone Ath-Leuze-Pruwelz-valle de la Senne, est pratiquement inchange. La seconde, qui correspond toute la partie occidentale de laquifre stendant louest de Tournai, est fortement modifie par rapport ltat du dbut du sicle. En effet, les cotes de la surface de la nappe y sont nettement plus basses (de 0 -20 entre Lille et Tournai), les gradients plus forts (environ 1 %), tandis que le drainage par lEscaut a compltement disparu.

Illustration 8 : Carte pizomtrique ralise en 2006 par A. Rorive (Universit de Mons) et S. Pinson (BRGM) .

La carte pizomtrique de lIllustration 8 permet de dresser quelques constats :



Labaissement de la nappe des calcaires carbonifres a perdur au nord-ouest de l'aquifre (-10 -15 m par rapport la carte de 1973).

Du ct est, il ny a pas de perturbation au niveau de la Dendre. Cependant, on note la prsence dun rabattement d aux pompages dexhaure dans les carrires du Tournaisis.

Du ct du sud-ouest en Belgique, les niveaux semblent stables.

Ces cartes mettent aussi en vidence une discontinuit hydraulique entre le nord et le sud, au niveau dit du Horst de Tournaisis ; cette discontinuit semble se prolonger en France.

Enfin, ces cartes font apparatre des zones o il manque de linformation pizomtrique notamment dans le secteur sud-ouest ct franais ainsi que le long des limites de laquifre.

Au vu de la carte pizomtrique de 2006 et de la position des forages utiliss dans cette tude, on peut schmatiser laquifre comme le montre lIllustration 9.

Illustration 9 : Sens d'coulement, limite de captivit et forages tudis de la nappe des calcaires carbonifres.



La limite gologique de captivit actuellement admise est dtermine sur avis dexpert (A Rorive, Universit de Mons). Daprs la position des forages tudis, lcoulement gnral de la nappe peut tre considr selon une orientation sud-est nord-ouest.

A lest de la limite de captivit, laquifre est libre, mais avec deux zones hydrologiquement distinctes : la zone daffleurement des calcaires, et la zone o ils sont recouverts par une faible paisseur de sable landnien et dargile yprsienne.

A louest, laquifre devient captif en plongeant sous les terrains yprsiens.



6. Recueil et slection des donnes

6.1. METHODE

Les donnes utilises ont t recueillies partir de plusieurs sources franaises et belges. Le tri de ces donnes a cart les analyses non pertinentes pour cette tude. Et leur traitement a permis de proposer une seule analyse reprsentative des lments majeurs et mineurs de leau pour chaque forage.

6.2. RECUEIL DES DONNEES

LUniversit de Mons a fourni 140 000 analyses chimiques ralises en Belgique. En France, les banques de donnes ADES, BSS, ainsi que lAgence de lEau Artois-Picardie ont permis dobtenir 24 000 analyses.

6.3. PREMIER TRI

La majorit des analyses disponibles concernent des pesticides qui, ne refltant pas la chimie naturelle de la nappe, ont donc t limines. De plus, beaucoup danalyses incompltes concernant les lments majeurs (Ca2+, Mg2+, Na+, K+, HCO3

-, SO42-, Cl-,

NO3-) ont galement d tre cartes.

De nombreuses analyses en nitrates et en lments mineurs prsentent des valeurs nulles. Or, ces rsultats signifient en ralit que les teneurs en ces lments sont infrieures la limite de quantification de lappareil de mesure. Cette limite de quantification (gnralement 0,5 mg/L pour les nitrates, mais variable selon les laboratoires et annes danalyses) est difficile obtenir pour les lments mineurs. Pour les analyses statistiques, afin de se rapprocher au mieux de la ralit, une valeur correspondant la moiti de la limite de quantification a t arbitrairement attribue aux analyses nulles en nitrate. Concernant les lments mineurs, les analyses contenant des valeurs nulles nont pas t conserves.

Enfin, le dernier critre de slection concerne l'quilibre de la balance ionique (BI, exprim en pour cent) calcule partir de la formule suivante :

BI = [(cations - anions) / (cations + anions)]*100 (1)

Seules les analyses ayant une balance ionique comprise entre -5 et 5 %, ont t conserves.

A l'issue de ce traitement, 25 000 analyses environ sont retenues.

Il est noter que les mesures concernant le potentiel doxydo-rduction sont en nombre trop insuffisant (3 forages sur lensemble de laquifre) pour tre exploites correctement.



En revanche il a t possible de rcuprer quelques analyses isotopiques (cf. chapitre 7.2)

6.4. EXPLOITATION DES CHRONIQUES

6.4.1. Chroniques disponibles

Beaucoup de donnes proviennent de forages pour lesquels on ne dispose que danalyses ponctuelles. En revanche, quelques chroniques danalyses dlments majeurs (Ca2+, Mg2+, Na+, K+, HCO3

-, SO42-, Cl-, NO3

-) sont disponibles, dont certaines pour de longues priodes. On considre comme chronique longue des analyses ralises sur une priode dau moins 5 ans et possdant plus de 2 analyses par an.

En France, on dnombre 14 chroniques longues dont certaines dbutent en 1969. Parmi elles, 12 sont disponibles durant la priode 1990-2009.

En Belgique, ces chroniques longues sont au nombre de 24, mais ne dbutent quau dbut des annes 90.

Lensemble de ces chroniques est fourni dans lAnnexe 2. Leur localisation est prsente sur la carte suivante (Illustration 10).

Illustration 10 : Localisation des forages possdant des chroniques longues.



6.4.2. Caractristiques gnrales : stabilit du systme

a) Paramtres chimiques

Toutes les chroniques des lments majeurs sont reprsentes sous forme de graphiques en Annexe 2. Leur analyse montre globalement une stabilit temporelle des concentrations pour un mme forage. Les sulfates font exception sur quelques forages en France (cf. paragraphe 6.4.3).

Lensemble de ces chroniques a fait lobjet dun traitement statistique simple, avec la reprsentation du minimum, du maximum, des premier et troisime quartiles, et de la mdiane (cf. Annexe 23). A titre dexemple, les statistiques pour deux forages en France et deux autres en Belgique sont prsentes sur les diagrammes suivants (Illustration 11).

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500

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Ca Mg Na K HCO3 SO4 Cl

Tourcoing 00143B0102

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200400

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Wattrelos 00144C1075

0

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200300

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mg

/L


FPMSCHOO 5591

Illustration 11: Traitement statistique des analyses chimiques de quatres forages du calcaire carbonifre.

Les forages prsentent des concentrations en lments majeurs globalement stables avec peu de dispersion autour de leur moyenne, except pour les sulfates des eaux exploites en France (qui augmentent au fil du temps, cf. paragraphe 6.4.3).

b) Paramtre physico-chimique

La mesure des paramtres physico-chimiques, comme la temprature et loxygne dissous, sont plus difficiles raliser de manire correcte et reprsentative du milieu. Il peut donc exister une forte variabilit temporelle de leurs mesures.



Pour cette raison, on observe de fortes variations de ces lments sur plusieurs chroniques ralises sur des donnes disponibles en France et en Belgique (Illustration 12 et Illustration 13) :

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Chronique de temprature franco-belge

00143B0026 RONCQ

00143B0027 RONCQ

00143B0102 TOURCOING

00144C1075 WATTRELOS

00144D0002 ROUBAIX

00144D0208 WATTRELOS


FPMSCHOO_5191

FPMSCHOO_5601

FPMSCHOO_5699

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15.5

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00143B0026 RONCQ

00144D0002 ROUBAIX

FPMSCHOO_5191

FPMSCHOO_5601


00144D0002 ROUBAIX

FPMSCHOO_6752

FPMSCHOO_6761

Illustration 12 : Evolution des concentrations en oxygne dissous dans l'eau de plusieurs forages.

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00144D0002 ROUBAIX

FPMSCHOO_5191

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00144D0002 ROUBAIX

FPMSCHOO_6752

FPMSCHOO_6761

Illustration 13 : Evolution de la temprature de l'eau de plusieurs forages.

Valeur moyenne

Valeur moyenne



Les donnes concernant ces deux paramtres au sein dun mme forage, prsentent des fluctuations, mais aucune tendance prcise ne se dgage. Cest notamment le cas de leau du forage de Roncq (00143B0026) dont la temprature est comprise entre 14 et 16C ; et du forage de Roubaix (00144D0002) dont la concentration en oxygne dissous varie entre 0,5 et 5 mg/L.

Malgr les variations observes sur ces lments, et en tenant compte de la difficult que reprsente leur mesure (isolement vis--vis du milieu extrieur), on peut considrer raisonnablement comme reprsentative la valeur moyenne propose pour chaque forage (matrialise en violet sur les Illustration 12 et Illustration 13).

6.4.3. Le cas du sulfate

a) Evolution dans le temps

Lvolution des concentrations en sulfates de quelques forages franais est prsente Illustration 14.



Illustration 14 : Evolution des concentrations en sulfates en fonction du temps de quelques forages en France.

Une minorit de forages (Wattrelos 00144D1082 et 00144D0208) prsentent des concentrations stables en sulfates. Nanmoins, la majorit des prlvements ont mis en vidence une augmentation constante de la teneur en sulfates. Ainsi, le forage de Wattrelos (00144C1075) passe de 80 mg/L de sulfates en 1989 100 mg/L en 2009. De mme, Tourcoing (00143B0102), les teneurs voluent de 40 mg/L en 1978 80 mg/L en 2009.



b) Stabilit du facis chimique

Les deux ouvrages de Wattrelos et de Tourcoing (prsentant une augmentation significative en sulfates) ont t slectionns ainsi que deux autres forages situs en Belgique en tant quindicateur-tmoins, afin dtudier la proportionnalit des diffrents ions, et la stabilit de la signature chimique.

Ces forages sont localiss sur lIllustration 15 ci-dessous, et lensemble de leurs analyses a t report sur des diagrammes de Piper (Illustration 16).

Illustration 15 : Localisation des quatre forages slectionns.

Lensemble des analyses effectues sur ces forages reste trs regroup sur les diagrammes de Piper. Les eaux de ces forages peuvent par consquent tre considres comme hydrochimiquement stables malgr laugmentation de teneurs en sulfates observe en France (Illustration 14).



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4+ N

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CO

3+

HC

O3

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Ca + M

g

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Cl + NO3

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4+ N

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Illustration 16 : Diagrammes de Piper des quatre forages slectionns.

6.5. CONCLUSION SUR LE CHOIX DE LA VALEUR REPRESENTATIVE

Les diffrentes chroniques disponibles en France et en Belgique montrent que, malgr laugmentation des concentrations en sulfates observe en France, les caractristiques chimiques de leau dun mme forage restent stables dans le temps. Cette stabilit permet de reprsenter chaque forage par sa moyenne en lments majeurs et mineurs.

De mme, une moyenne des mesures de la temprature et de l'oxygne dissous est raisonnablement reprsentative de leau du forage. Nanmoins, des doutes sont mis quant la prcision relle de ces mesures.

Ne disposant pas de chroniques antrieures aux annes 1990 en Belgique, lhypothse dune stabilit hydrochimique antrieure cette priode apparat comme peu fiable.



Ainsi la moyenne des concentrations chaque point a t effectue pour les donnes postrieures 1990, afin de permettre une comparaison non biaise des donnes collectes dans les secteurs belge et franais de laquifre.



7. Chimie des eaux du calcaire carbonifre

La caractrisation hydrochimique de l'eau du calcaire carbonifre a t mene partir des analyses disponibles et aprs la prslection vue au paragraphe prcdent, selon les tapes suivantes :

Traitement des donnes slectionnes ;

Etude des caractristiques globales ;

Etude des diagrammes binaires ;

Evolution des concentrations selon le sens dcoulement gnral de la nappe ;

Etude de lchange de base ;

Recherche de marqueurs de drainance avec dautres aquifres ;

Etude des analyses isotopiques.

7.1. TRAITEMENT DES DONNEES

Le traitement des donnes a consist utiliser lensemble des analyses disponibles depuis 1990, et raliser une moyenne des analyses pour chaque lment (lments majeurs, mineurs et paramtres physico-chimiques) de chaque forage.

Ce traitement permet de raliser une tude globale en utilisant un maximum de forages, et de rendre plus lisibles les diffrents graphiques raliss.

La slection des analyses au-del de 1990, aboutit identifier :

100 points de mesures concernant les lments majeurs.

70 points de mesures concernant le bore, 85 pour le fluor et la temprature, 72 pour le fer dissous, 82 pour le manganse, 81 pour loxygne dissous, 89 pour le pH, 91 pour la silice et 100 pour la conductivit.

48 points de mesures possdant la fois des analyses en lments majeurs et mineurs (bore, fluor, fer, manganse, oxygne dissous, pH, silice, temprature).



7.2. CARACTERISTIQUES GLOBALES

Afin dobtenir une ide gnrale de la chimie de leau des calcaires carbonifres, deux approches ont t abordes :

Ltude de lvolution des paramtres physico-chimiques le long de laxe dcoulement gnral de la nappe.

La ralisation dun diagramme de Piper contenant lensemble des points de mesure.

7.2.1. Paramtres physico-chimiques

Quelques commentaires sur ces paramtres (conductivit, temprature, pH et oxygne dissous) permettent de dduire des caractristiques gnrales et de mettre en vidence une ventuelle variation de composition selon laxe de lcoulement principal de la nappe.

a) Conductivit

La conductivit montre une volution globale croissante de 600 S/cm lest de laquifre environ 1000 S/cm louest de laquifre (Illustration 17). Cette volution traduit le temps de contact croissant de leau avec sa matrice carbonate. On peut noter quen partie libre, les eaux issues des calcaires affleurants affichent une conductivit parfois suprieure celle observe dans les calcaires sous couverture.

AQUIFERE CAPTIFAQUIFERE LIBRE

0 10 20 30 40 50 60 70 80

400

800

1200

1600

2000

Co

nd

ucti

vit

20c

(

S/c

m)

aquifre libre

calcaire affleurant

aquifre captif

Illustration 17 : Evolution de la condutivit selon la direction d'coulement gnral (en trait discontinu est reprsent le front rdox dfini gologiquement).



Les deux forages lextrme ouest de laquifre, situs sur la commune de Comines-Warneton (DIXSOUOO 24797, FPMSCHOO 14742) prsentent des conductivits trs suprieures aux autres, mais les eaux de ces deux forages nont t analyses quune seule fois. De mme, en partie captive, environ 70 km selon la direction dcoulement gnral, un forage situ sur la commune de Mons-en-Barul (00147B2979), analys uniquement deux reprises, prsente une conductivit de 1300 S/cm.

La faible frquence danalyse de ces forages ne permet pas de dterminer si ces fortes conductivits sont issues dun mauvais chantillonnage ponctuel, ou si elles refltent la chimie naturelle de la nappe.

Afin de savoir quels paramtres pourraient tre responsables de la forte conductivit mesure dans leau de ces forages, leurs analyses sont compares avec les analyses moyennes de la zone captive (Illustration 18).

Concentration moyenne

Ca (mg/L)

Mg (mg/L)

Na (mg/L)

K (mg/L)

HCO3 (mg/L)

CO3 (mg/L)

SO4 (mg/L)

Cl (mg/L)

NO3 (mg/L)

Aquifre libre affleurant

131.78 15.30 17.65 4.05 338.93 0.00 100.77 34.30 14.14

Aquifre Libre sous couverture

104.15 14.86 11.79 3.77 275.32 0.00 73.88 27.38 11.63

Aquifre captif 107.83 30.57 64.62 12.88 437.36 0.91 118.27 48.82 4.66

00147B2979 15.90 8.90 293.00 13.30 602.50 2.00 141.00 64.50 0.25

FPMSCH00_14742 6.00 2.40 424.00 11.80 389.18 0.00 392.00 173.00 1.00

DIXSOU00_24797 6.50 2.50 415.20 11.90 406.26 0.00 408.00 153.20 0.15

Illustration 18 : Tableau des analyses moyennes des trois parties de l'aquifre, et des quatres forages avec forte conductivit .

Le tableau montre que les trois forages ayant une conductivit leve prsentent galement une distribution des lments majeurs trs diffrente de celle obtenue sur les autres ouvrages de la zone captive de laquifre. Les concentrations y sont en effet particulirement leves en sodium, sulfate, chlorure et particulirement faibles en calcium et magnsium.

Lanalyse des conductivits au sein de laquifre a permis de considrer part ces trois points de mesure.

Les analyses moyennes de leau dans les trois parties de laquifre sans ces trois forages sont alors reprises dans lIllustration 19.



Concentrations moyennes

Ca (mg/L)

Mg (mg/L)

Na (mg/L)

K (mg/L)

HCO3 (mg/L)

CO3 (mg/L)

SO4 (mg/L)

Cl (mg/L)

NO3 (mg/L)

Aquifre captif 116.02 32.74 38.56 12.92 434.97 0.93 101.98 42.03 5.01

Aquifre Libre sous couverture

104.15 14.86 11.79 3.77 275.32 0.00 73.88 27.38 11.63

Aquifre libre affleurant 131.78 15.30 17.65 4.05 338.93 0.00 100.77 34.30 14.14

Illustration 19 : Concentrations moyennes en lments majeurs.

Les rsultats obtenus pour laquifre libre affleurant sont semblables ceux obtenus en partie libre sous couverture, except pour les sulfates et le calcium qui sont plus levs. Cette diffrence explique la conductivit relativement leve de leau des calcaires affleurants (Illustration 17).

En revanche, les teneurs moyennes en nitrates dans leau des calcaires affleurant sont similaires celles observes dans les calcaires sous couverture dargiles yprsiennes.

Lvolution de la conductivit le long du sens dcoulement permet ainsi de formuler plusieurs observations :

Laugmentation progressive de la minralisation de leau indique lexistence dchanges avec la matrice carbonate. Cette volution constante au fil de lcoulement est mettre en parallle avec laugmentation des temps de rsidence de leau au sein de laquifre ;

Quelques forages prsentent des analyses peu cohrentes et trop peu documentes pour tre interprtes. Ces forages sont exclus de lchantillon et devront faire lobjet danalyses supplmentaires ;

Dans la partie libre de laquifre, les calcaires affleurants prsentent des teneurs en nitrates similaires celles des calcaires sous faible couverture dargiles.

b) Temprature

Une grande variabilit de la temprature peut tre observe dans des zones pourtant gographiquement assez proches : de 8C, la temprature mesure peut passer 16C seulement 4 km de distance (Illustration 20).



0 10 20 30 40 50 60 70 80

Distance le long de l'coulement (km)

5

10

15

20

25

Tc

aquifre libre

Calcaire affleurant

aquifre captif

AQUIFERE LIBRE AQUIFERE CAPTIF

Illustration 20 : Evolution de la temprature de leau suivant la direction gnrale d'coulement.

Ces fluctuations doivent toutefois tre considres avec prcaution, car la mesure de la temprature est fortement dpendante des conditions de terrain et dopration. De plus, les moyennes ont t calcules pour des mesures effectues des poques diffrentes, pouvant ainsi entrainer un biais.

Cependant, la temprature de leau semble montrer une tendance laugmentation passant denviron 10C ( lest) 15C ( louest). Cette lvation est dailleurs cohrente avec le pendage gnral des calcaires (Illustration 4) et le gradient gothermique en considrant une augmentation moyenne de 1C tous les 30 m.

c) Potentiel hydrogne

Le pH des eaux du calcaire carbonifre est globalement neutre, voluant entre 6,4 et 8 (Illustration 21), ce qui reste en accord avec les caractristiques dun aquifre carbonat (Edmund et Cook, 1987).



0 10 20 30 40 50 60 70 80

Distance le long de l'coulement (km)

6.4

6.8

7.2

7.6

8

pH

aquifre libre

Calcaire affleurant

aquifre captif

AQUIFERE CAPTIFAQUIFERE LIBRE

Illustration 21: Evolution du pH suivant la direction gnrale dcoulement.

Seuls trois forages (sur 89) affichent un pH en dehors de lintervalle 6,8 - 7,6. Aucune tendance ne peut tre dgage de ce paramtre, si ce nest que le pH globalement neutre des eaux est conforme avec le fait que les ions HCO3

- sont majoritaires par rapport aux formes CO3

2- et H2CO3- .Dans la partie captive, le pH est lgrement plus

lev et les ions CO3 peuvent alors tre dtects (Illustration 19).

d) Oxygne dissous

Entre 0 et 50 km, la concentration en oxygne dissous de la majorit des chantillons est comprise entre 0 et 6 mg/L. Quelques forages prsentent des concentrations suprieures, comme le forage situ 45 km dont la teneur moyenne en oxygne atteint 14 mg/L.

Dans la zone de transition entre les parties libre et captive de laquifre (entre 50 et 60 km), la moyenne des teneurs en oxygne est comprise entre 0 et 9 mg/L.

Dans la partie captive, on retrouve des valeurs comprises entre 0 et 6 mg/L (Illustration 22).



0 10 20 30 40 50 60 70 80

0

4

8

12

16

O2

mg

/L

aquifre libre

Calcaire affleurant

aquifre captif

AQUIFERE LIBRE AQUIFERE CAPTIF

Illustration 22 : Evolution de la concentration en oxygne dissous suivant la direction gnrale dcoulement.

Bien que la teneur en oxygne dissous prsente des variations importantes, lobservation dune diminution en zone captive semble dmontrer une fois de plus lexistence dune volution progressive de lhydrochimie. Du fait de linfluence des conditions exprimentales sur la dtermination de ce type de paramtre, cette hypothse doit nanmoins senvisager avec prcaution.

Thoriquement, la partie captive de laquifre est cense contenir la limite entre les milieux oxydant et rducteur (barrire redox). En effet, du fait de labsence de contact avec latmosphre lorsquon passe en zone captive, loxygne dissous est progressivement consomm par les bactries arobies.

Ce phnomne est notamment bien observ dans laquifre de la craie de la rgion du Berkshire dans le bassin de Londres (Edmund et Cook, 1987).

Ici, dans laquifre des calcaires carbonifres, cette barrire redox ne semble pas visible sur la base des analyses de loxygne dissous, ou semble tre mal dfini. Plusieurs tudes ont montr une diffrence entre la limite gologique et la limite hydrogochimique. En effet la barrire redox a t dfinie ici par la limite de la couverture impermable. Il conviendrait de rviser cette limite la lumire des donnes chimiques afin de permettre de dlimiter la barrire redox effective . Pour cela, il est ncessaire de rechercher dautres indices de sa prsence en tudiant galement lvolution des concentrations dautres ions sensibles aux variations du potentiel Redox (nitrate, fer, manganse, sulfate).

7.2.2. Diagramme de Piper gnral

Ce diagramme est une reprsentation simplifie des caractristiques chimiques (lments majeurs) de leau (Illustration 23), et permet de reprsenter le facis chimique dun ensemble dchantillons.



20

40

0

60

80

100

0

20

40

60

80

20

60

80

100

20

60

80

0

20

40

60

80

100

0

20

40

60

80

100

Cl +

SO

4+ N

O3

CO

3+ H

CO

3

Na +

K

Ca +

Mg

SO

4

Cl + NO3

Mg

Ca

0

20

40

60

80

100

Groupe 3

Groupe 2

Groupe 1

020

4060

80

100

Illustration 23 : Diagramme de Piper sur l'ensemble des analyses moyennes depuis 1990.

Les points sont relativement groups les uns par rapport aux autres et indiquent que la plupart des chantillons d'eau prsentent un facis bicarbonat-calcique. On observe nanmoins un tirement vers le ple bicarbonat-sodique (Illustration 23) :

Concernant les cations, les teneurs en calcium diminuent alors que celles de la somme des teneurs en magnsium, sodium et potassium augmentent. Au sein du groupe 3, une augmentation relative du sodium par rapport au calcium reflte un possible change ionique, processus classique dans les aquifres profonds ;

Pour les anions, les concentrations en bicarbonates augmentent, alors que la somme des teneurs en sulfate, chlorure et nitrate semble diminuer. Les plus fortes concentrations en nitrates sont obtenues pour laquifre libre et affleurant.

Si, globalement, on observe que les eaux se rpartissent de manire continue au sein du facis bicarbonat calcique, deux points (cercls de violet sur lIllustration 23) se

Etirement

gnral



situent en dehors de cette tendance, et montrent un facis diffrent de type chlorur et sulfat calcique.

Les chantillons peuvent finalement tre rpartis en trois groupes reprs par des couleurs diffrentes le long de ltirement observ sur le diagramme de Piper.

7.2.3. Rpartition gographique

Les trois groupes d'analyses deau (reprsents sur le diagramme de Piper de lIllustration 23) sont localiss sur la carte de lIllustration 24, en respectant le code des couleurs des trois groupes identifis.

Illustration 24 : Rpartition gographique des trois groupes d'eau dfinis sur le diagramme de Piper gnral.

La rpartition gographique des analyses repres sur le diagramme de Piper gnral prsente une organisation approximative : globalement lest de la limite de captivit de laquifre, les eaux sont plutt moins bicarbonates et plus calciques (ouvrages reprs en jaune sur le diagramme de Piper). Puis, en sloignant de plus en plus vers louest, les eaux deviennent globalement plus bicarbonates et sodiques (ouvrages reprsents en vert, puis en noir).

Les variations de concentration en lments majeurs, visibles sur le diagramme de Piper gnral de lIllustration 23, sont ainsi galement lies une variation spatiale au



sein de laquifre. Cette constatation avait dj t faite dans une tude antrieure (Watrelot, 1950).

Cependant, le diagramme de Piper ne permet pas de voir avec une grande prcision quels lments chimiques voluent selon le sens dcoulement de la nappe. Cette question est aborde laide de lanalyse de diagrammes binaires.

7.3. DIAGRAMMES BINAIRES

Ce mode danalyse des donnes vise :

- mettre en vidence la tendance gnrale laquelle obissent les chantillons ;

- identifier les points s'cartant de cette tendance ;

- proposer des hypothses sur lorigine des concentrations pour certain lments.

Les diagrammes binaires pourront galement servir liminer les donnes aberrantes.

Ils sont utiliss en premier lieu avec des lments majeurs, puis avec les mineurs.

7.3.1. Elments majeurs

Pour linterprtation de ces diagrammes, l'unit utilise est le milliquivalent par litre.

Les chlorures sont considrs comme un lment conservatif qui ninteragit pas avec lencaissant calcaire. Pour cette raison, cet lment est souvent utilis comme rfrence. Lorsque cela est pertinent, nous avons fait apparatre la droite thorique de dilution de leau de mer, permettant de visualiser les contributions lies lapport deau de pluie (dilution de leau de mer), et celles de lencaissant ou anthropiques, qui scartent de cette droite.

a) Evolution des nitrates au regard des chlorures

On constate que les analyses issues des trois parties de laquifre sont plutt regroupes, prsentant des teneurs en nitrate comprise entre 0 et 1,2 meq/L et en chlorure comprise entre 0,25 et 3 meq/L (Illustration 25).

Un chantillon prsente des teneurs en nitrates trs leves (2,25 meq/L soit 140 mg/L), mais cette donne est issue dun forage situ en Belgique (FPMSCHOO13418) dont leau na t chantillonne qu une seule reprise. Cette teneur leve en nitrate dans leau de ce forage fait cependant suspecter une pollution cet endroit.



0 1 2 3 4Cl meq/L

0

0.5

1

1.5

2

2.5

NO

3 m

eq

/L

aquifre captif

aquifre libre

calcaire affleurant

Illustration 25 : Relation entre les nitrates et les chlorures.

En raison de cette suspicion, ce forage est cart de la base de donnes car il est sans doute fortement anthropis, et ne reflte donc pas la chimie naturelle de la nappe des calcaires carbonifres.

b) Evolution du calcium au regard des chlorures

Concernant le calcium, toutes les analyses se positionnent trs au-dessus de la droite de dilution de leau de mer (Illustration 26).

Les graphiques montrent que leau de la pluie rechargeant laquifre a subi un enrichissement important en calcium au sein de la matrice carbonate. Ce calcium provient majoritairement de la dissolution de la calcite selon l'quation suivante (Appelo et Postma, 2005) :

CaCO3 + H2O Ca2+ + HCO3

- + OH- ( Ph neutre) (2)

Dans ce cas, cette dissolution devrait galement tre visible sur le diagramme binaire entre le bicarbonate et les chlorures, ce qui est effectivement le cas et surtout entre le calcium et le bicarbonate (Illustration 27).



0 1 2 3 4Cl meq/L

0

4

8

12

Ca m

eq

/Lcalcaire affleurant

aquifre libre

aquifre captif

0 1 2 3 4Cl meq/L

0

1

2

3

4

Mg

meq

/L

Droite de dillution de l'eau de mer (Ca=0.037Cl)

0 1 2 3 4Cl meq/L

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

HC

O3 m

eq

/L

Droite de dillution de l'eau de mer (HCO3=0.0042Cl)

Droite de dillution de l'eau de mer (Mg=0.1958Cl)

Illustration 26 : Relation entre le calcium, le magnesium, les bicarbonates et les chlorures.

Le diagramme binaire entre les bicarbonates et les chlorures montre en effet que lensemble des chantillons est trs enrichi en bicarbonates par rapport la pluie (Illustration 26), ce qui constitue une preuve supplmentaire de la dissolution de calcite au sein de laquifre.

Le rapport entre le magnsium et les chlorures montre un enrichissement des eaux en magnsium provenant de linteraction entre leau et lencaissant. Cet enrichissement peut provenir de la dissolution de la dolomite dont la prsence est avre dans la gologie du systme aquifre.

Lquation de la dissolution de la dolomite est donne par la formule suivante (Appelo et Postma, 2005) :

(Ca, Mg)(CO3)2 + 2H2O Ca2+ + Mg2+ +2HCO3

- +2OH- ( Ph neutre) (3)

Ce phnomne de dissolution est galement mis en vidence par les relations entre le calcium et le magnsium avec le bicarbonate (Illustration 27).



2 4 6 8 10HCO3 meq/L

2

4

6

8

10

12

Ca m

eq

/L

calcaire affleurant

Aquifre libre

Aquifre captif

Droite de dissolution de la calcite (Ca=HCO3)

2 4 6 8 10HCO3 meq/L

0

4

8

12

16

20

Ca+

Mg

meq

/L

Calcaire affleurant

Aquifre libre

Aquifre captif

Droite de pente 1

Droite de dissolution de la dolomite (Ca+Mg=2HCO3)

Droite de dissolution de la calcite (Ca=HCO3)

Illustration 27 : Graphiques reprsantant la dissolution de la calcite et de la dolomite.

LIllustration 27 reprsentant la relation entre le calcium et les bicarbonates confirme la relation entre ces deux lments. En effet, pour la plupart des chantillons, les teneurs leves en calcium sont corrles avec des teneurs leves en bicarbonate. De plus, beaucoup dchantillons provenant de laquifre libre se placent sur la droite de pente 1 qui reprsente la stchiomtrie de la dissolution de la calcite.

On distingue de plus que les eaux enrichies en calcium (au-dessus de la droite) proviennent plutt de la partie libre de laquifre et les eaux enrichies en bicarbonates ou appauvries en calcium plutt de la partie captive.

On peut remarquer galement sur le graphique montrant la relation de la somme du calcium et du magnsium en fonction des bicarbonates, que les eaux qui ont t



enrichies en calcium se rapprochent aussi de la droite de dissolution de la dolomite. Cela confirme linfluence de ce minral dans la chimie de certaines eaux de laquifre.

En revanche, si on reprsente la droite de pente 1, on constate alors que la majorit des chantillons (except quelques eaux en partie captive) se place au-dessus de celle-ci. On constate ainsi un dsquilibre car le bicarbonate ne parvient pas compenser seul le calcium et le magnsium. Un autre anion doit donc intervenir dans cet quilibre. Au vu des fortes teneurs en ion sulfate sur les analyses moyennes de laquifre (Illustration 19), cet anion intervient certainement pour compenser lexcs de calcium et de magnsium.

c) Evolution du sulfate au regard des chlorures

Tous les chantillons se placent au-dessus de la droite de dilution de leau de mer (Illustration 28). Ce rsultat indique un enrichissement de leau de la nappe en sulfate au contact de lencaissant.

0 1 2 3 4Cl meq/L

0

2

4

6

8

SO

4 m

eq

/L

calcaire affleurant

aquifre libre

aquifre captif

Droite de dillution de l'eau de mer (SO4= 0.1032Cl)

Illustration 28 : Relation sulfate chlorure (meq/L).

On peut invoquer deux origines possibles pour le sulfate :

par l'oxydation de la pyrite (FeS2) (Appelo et Postma, 2005) :

FeS2 + 7/2 O2 +H2O Fe2+ + 2SO4

2- + 2H+ (4)

par la dissolution danhydrite ou de gypse (CaSO4) (Fry et al, 1988) :

CaSO4 Ca2+ + SO4

2- (5)

Afin de proposer une origine cet enrichissement, les diagrammes Ca=f(SO4) et (HCO3 + SO4) =f(Ca+Mg) peuvent tre raliss (Illustration 29 et Illustration 30).



0 1 2 3 4 5 6 7 8SO4 meq/L

0

4

8

12

Ca m

eq

/L

calcaire affleurant

aquifre libre

aquifre captif

Droite de dissolution de l'anhydrite ou gypse (Ca = SO4)

Illustration 29 : Relation entre le calcium et les sulfates.

Lensemble des chantillons se place au-dessus de la droite de dissolution de lanhydrite. Cependant, plus les chantillons sont riches en calcium plus leur teneur en sulfate est importante. La dissolution de la calcite, dj mise en vidence, fournit galement du calcium au systme, ce qui peut expliquer lenrichissement observ en cet lment et le dcalage par rapport la droite de dissolution de lanhydrite seule.

LIllustration 30 reprsente la fois la dissolution de la calcite et de la dolomie et de lanhydrite :

4 6 8 10 12 14Ca+Mg (meq/L)

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

HC

O3+

SO

4 (

meq

/L)

calcaire affleurant

Aquifre Captif

Aquifre Libre

Droite de dissolution de la calcite et de l'anhydrite

Illustration 30 : Relation entre HCO3+SO4 et Ca+Mg.



Sur ce graphique la droite de pente 1 reprsente la stchiomtrie de la dissolution de lensemble calcite, dolomie et anhydrite. On constate que lensemble des chantillons, except ceux provenant de la partie captive et quelques points de laquifre libre, se placent sur cette droite de pente 1.

Ce rsultat est une preuve de lorigine vaporitique dominante des ions sulfate contenus dans leau de laquifre. Il est noter que la lithologie des calcaires carbonifres indique la prsence de niveaux vaporitiques de type anhydrite au niveau de Saint Ghislain. Les analyses isotopiques disponibles permettront de confirmer ce constat.

Cependant, on peut remarquer que les eaux provenant de laquifre captif sont enrichies en ions bicarbonate et en ions sulfate ou, exprim d'une autre manire, appauvries en ions calcium et magnsium. On peut alors suspecter un change dions. Ce phnomne, dj mis en vidence dans dautres aquifres (Edmund et Cook, 1987) et observ sur le diagramme de Piper, est le rsultat dun change ionique entre des argiles sodi-potassiques qui peuvent changer facilement leurs ions sodium et potassium avec le calcium et le magnsium de leau.

Cet enrichissement en sodium majoritairement peut sobserver sur la relation Na vs Cl (Illustration 31).

0 1 2 3 4Cl meq/L

0

1

2

3

4

5

Na m

eq

/L

Aquifre libre

Aquifre captif

calcaire affleurant

Droite de dillution de l'eau de mer (Na=0.8591Cl)

Illustration 31 : Relation entre le sodium et les chlorures.

On constate que la concentration en ion sodium de la majorit des eaux de laquifre libre peut sexpliquer par la simple dilution dune eau de pluie (constitue suite lvaporation de leau de mer). En revanche, en partie captive, un enrichissement relatif en ion sodium aurait pour origine linteraction avec les roches encaissantes.

Lexcs de sodium observ dans laquifre captif est en accord avec lhypothse dun change de bases au sein de laquifre. Cette hypothse sera discute plus spcifiquement au Chapitre 7.5.



7.3.2. Rapport entre lments

La ralisation de diagrammes binaires utilisant le rapport entre lments permet de saffranchir de leffet de dilution (Illustration 32).

On peut voir que les deux parties de laquifre ont un comportement diffrent : les eaux de la partie libre sont plutt calciques, alors que celles de la partie captive sont plus sodique.

Illustration 32 : Relation entre Ca/Cl et Na/Cl.

Ce rsultat apporte un argument supplmentaire en faveur dun mcanisme dchange dions possible avec les argiles au sein de laquifre des calcaires carbonifres.

7.3.3. Elments mineurs

La concentration de certains lments mineurs (fer et manganse) est trs influence par la teneur en oxygne de leau.

En effet, le fer et le manganse peuvent se trouver sous les deux tats (oxyd ou rduit) selon les ractions suivantes :

MnO2- +2e- +4H+ Mn2

+ +2H2O (6)

Fe2+ Fe3

+ +e- (7)

(Rducteur (soluble), Oxydant (insoluble))

Seule la forme soluble de ces ions peut tre quantifie par les appareils de mesures.



Or, en prsence de ces lments et doxygne dissous dans leau (conditions oxydantes), ces ions se trouvent ltat doxyd sous une forme insoluble et ne peuvent donc pas tre doss dans leau. De faon gnrale, les conditions sont normalement oxydantes lorsque laquifre est libre.

En revanche, en absence doxygne dissous (conditions rductrices) et si les ions fer et manganse sont prsents dans lencaissant, ces ions se prsentent sous leur tat rduit dans une forme soluble, et leur concentration peut alors tre estime. Lexamen des concentrations en fer et manganse dissous dans les eaux des calcaires carbonifres est surprenant (Illustration 33) : aucune relation entre les concentrations en fer ou manganse avec loxygne dissous nest observe.

Ce rsultat peut illustrer la difficult dobtenir des donnes correctes en ce qui concerne loxygne dissous. Une autre hypothse est labsence (ou en faibles concentration) de fer et manganse dans les formations calcaires constituant lencaissant de laquifre. On observe les plus fortes concentrations en fer et manganse pour quelques points de laquifre affleurant. Un apport anthropique de fer et manganse est possible en ces points o la prsence de formations affleurantes (ou sols) riches en ces deux lments.

Illustration 33

Documents

Chimie des eaux du calcaire carbonifère - infoterre.brgm.frinfoterre.brgm.fr/rapports/RP-59671-FR.pdf · Chimie des eaux du calcaire carbonifère Rapport final BRGM/RP-59671-FR Février