Série eaux souterraines – Article 2 : Les nappes souterraines et les processus hydrogéologiques

Interview d'un hydrogéologue, qui nous explique les processus régissant les nappes souterraines

A l’approche de la journée mondiale de l’eau dédiée aux eaux souterraines (le 22 mars), Eau’Dyssée a interviewé M. Patrick Lachassagne, Président du Comité Français d’Hydrogéologie. Cet échange a donné lieu à une série de trois articles sur les eaux souterraines :
(1) Le métier d’hydrogéologue,
(2) Les nappes souterraines et processus hydrogéologiques,
(3) La gestion des ressources en eaux souterraines.
Vous lisez le deuxième article, dédié aux nappes souterraines et aux processus hydrogéologiques.

Eau'Dyssée : M. Lachassagne, pour commencer à évoquer les nappes souterraines, pouvez-vous préciser quelques notions, en commençant par la définition d’une nappe et d’un aquifère ?

Nappes souterraines, roches et porosité

Patrick Lachassagne : Un aquifère est une roche ou un ensemble de roches, suffisamment perméable ou suffisamment conducteur d’eau pour qu’on puisse considérer qu’il constitue une ressource en eau, c’est à dire pour qu’on puisse avoir un usage économique de cette eau. Par extension, certains aquifères alimentent des sources ou des zones humides, mais pas forcément pour des usages anthropiques. Ils sont aussi considérés comme des aquifères, pour les services environnementaux qu’ils fournissent.

On trouve différents types de roches et de porosités associées à la notion d’aquifère. Dans les roches de type sable et gravier, l’eau circule dans une porosité d’interstice, c’est-à-dire entre les grains constituant les roches. Dans les granites ou les schistes, il s’agit d’une porosité de fractures, liées au processus d’altération par les éléments chimiques présents dans l’eau. Ceux-ci transforment la roche et la fracturent. Enfin, dans les roches calcaires (aquifère karstique), l’eau dissout la roche au niveau des fissures. Cela peut même créer des rivières souterraines.

Zone saturée et zone non saturée

Un aquifère comprend une zone saturée et éventuellement une zone non saturée. Dans la zone saturée, les vides de la roche sont complètement remplis d’eau. L’air n’y est que sous forme dissoute dans l’eau. La zone non saturée, quand il y en a une, se trouve dans la partie supérieure de l’aquifère au-dessus de son niveau de remplissage. La zone non saturée contient de l’air et n’est donc pas saturée en eau.

Pour illustrer cela, faisons un exercice de pensée. Si on creuse un trou dans le sol, on constate tout d’abord que la terre – ou la roche – est humide. Cela correspond à la zone non saturée. Si on continue de creuser, arrivé à une certaine profondeur, de l’eau apparaît au fond du trou. Cela signifie que le niveau d’eau dans la nappe, marquant la délimitation entre la zone non saturée et la zone saturée, est atteint. Ce niveau est appelé le niveau piézométrique. Il varie dans le temps, au gré du remplissage et de la vidange de l’aquifère.

Enfin, la nappe d’eau souterraine correspond à l’eau contenue dans la partie saturée de l’aquifère.

En conclusion, on peut résumer ceci en disant que les aquifères constituent la roche qui contient l’eau. La nappe, elle, correspond à l’eau qui est contenue dans la roche.

Schéma d'une nappe libre

Schéma d'une nappe libre

Figure 1 : Schéma d’une nappe libre (©Eau’Dyssée)

 

Pouvez-vous définir les notions de nappe libre et de nappe captive ?

Une nappe est libre là où elle comporte une zone non saturée. Les nappes libres sont en général proches de la surface.

Concernant les nappes captives, reprenons l’exercice de pensée consistant à creuser un trou. En creusant, on peut tomber sur une roche imperméable, comme des argiles par exemple. Creuser dans les argiles s’accompagne d’un peu d’humidité. Cependant, il n’y a pas d’eau qui apparaît au fond, parce que la roche est imperméable.

Lorsqu’on atteint la base de la couche d’argile, on peut entrer en contact avec une nouvelle couche perméable. Supposons que cette couche est constituée de sables complètement saturés en eau. En perforant la base des argiles, il se peut que le niveau d’eau remonte dans le trou qui vient d’être creusé. Le fait que l’eau remonte signifie que le niveau de l’eau dans les sables était maintenu captif, sous pression, par la couche d’argile. C’est ce qu’on appelle un puits artésien. Lorsque le niveau de la nappe captive est supérieur au niveau du sol, on parle de puits artésien jaillissant.

Schéma d'une nappe captive

Figure 2 : Schéma d’une nappe captive (©Eau’Dyssée).
 

Le terme de nappe phréatique est souvent employé. Quelle signification a-t-il ?

Il s’agit d’un terme grand public qui n’a pas vraiment de signification précise pour un hydrogéologue. Ce terme décrit la première nappe qui se trouve sous nos pieds. Il s’agit la plupart du temps d’une nappe libre.

Peut-il y avoir plusieurs nappes au droit du même point ?

Oui, et cela s’explique par la géologie. Prenons les grands bassins sédimentaires comme le bassin parisien, le bassin d’Aquitaine, etc. Dans ces bassins sédimentaires, la géologie consiste en un empilement de couches, souvent alternativement perméables et imperméables. Si on fait un forage, on va d’abord trouver une nappe libre. Ensuite, on peut tomber sur le substratum imperméable de cette nappe libre qui peut être constitué d’argiles, puis si on continue de descendre on peut tomber dans des sables, puis à nouveau sur des argiles, etc. Donc on peut avoir plusieurs nappes superposées sur une verticale, avec souvent une nappe libre puis des nappes captives.

Quel sont les processus à l’œuvre pour l’alimentation des nappes souterraines ?

Les précipitations et l'infiltration

Tout d’abord, précisons que le cycle de l’eau est alimenté par l’énergie solaire. Le cycle des eaux souterraines s’intègre dans le cycle de l’eau plus global. Les précipitations tombent à la surface du sol. Si la surface n’est pas imperméabilisée, une partie de cette eau s’infiltre dans le sol, dans les horizons pédologiques dans lesquels on trouve les racines des plantes, c’est-à-dire sur les premiers décimètres, voire mètres sous la surface.

L'évapotranspiration

Une partie de l’eau est captée par les végétaux et retourne à l’atmosphère sous forme d’évapotranspiration. Dans la plupart des configurations, la végétation ne prélève pas d’eau dans les nappes souterraines, mais dans la zone non saturée ou dans le sol. Il y a toutefois les cas particuliers de pays arides ou semi-arides où la végétation a dû s’adapter à l’absence prolongée d’eau dans la zone non saturée, parce qu’il pleut seulement une fois par an ou une fois tous les 10 ans. En réponse à cette pénurie d’eau, la végétation, et notamment les arbres, a été capable de développer des racines profondes pour chercher de l’eau jusque dans les nappes libres.

La percolation

La part de la pluie qui n’a pas été évapotranspirée, variable selon la saison, va percoler dans le sol sous l’effet de la gravité. Si elle atteint une roche peu perméable ou une semelle de labour, elle va ensuite s’écouler horizontalement et ressortir dans un cours d’eau, un fossé, etc. Il s’agit alors d’« eau de surface ». Si le sol repose sur une roche perméable, l’eau va s’infiltrer et atteindre la zone saturée d’une nappe libre. Dans la majorité des aquifères, les vides de la roche sont des vides de toute petite taille, par exemple de la taille de l’espace présent entre des grains de sable.
 

Processus et alimentation des nappes

Figure 3 : Processus et alimentation des nappes souterraines (©Eau’Dyssée).

L'écoulement dans la nappe

Une fois arrivée dans la nappe, l’eau ne va pas stagner, mais elle va s’écouler vers un point bas (le fond d’une vallée, par exemple) sous l’effet de la gravité terrestre (cf. Figure 1). En raison de la petite taille des vides et donc des frottements avec la roche, l’eau s’écoule très lentement, généralement de quelques mètres à quelques centaines de mètres par an. Elle va ainsi s’écouler dans une roche, puis éventuellement rejoindre une autre roche, avant de ressortir en général dans une rivière de façon diffuse. Dans certains cas, une quantité importante d’eau souterraine ressort en un point localisé, c’est ce qu’on appelle une source. Dans le cas des aquifères côtiers, l’eau peut ressortir directement en mer.
 
Signalons le rôle important des nappes souterraines dans l’alimentation des cours d’eau en période de sécheresse. Pendant les périodes de sècheresse, il n’y a plus de ruissellement parce que l’écoulement de l’eau superficiel rapide est déjà passé. Il reste alors ce débit de base qui est apporté par les eaux souterraines toute l’année. En saison sèche, il peut constituer 100% du débit de la rivière.

Les ressources en eau sous nos pieds sont-elles importantes ?

Oui, les aquifères contiennent de très gros volumes d’eau. Par exemple, le bassin parisien fait plusieurs dizaines de milliers de kilomètres carrés. Dans les grands bassins dans le Sahara par exemple, on a, sur des millions de kilomètres carrés, des bassins sédimentaires avec des roches perméables sur plusieurs milliers de mètres épaisseur. Si on multiplie cette surface par ces milliers de mètres d’épaisseur et par une porosité de 10%, on voit que cela représente des volumes d’eau considérables. Ces volumes d’eau se chiffrent en centaines de millions, voire milliards de mètres cubes.
 
Et cela explique que les ressources en eau souterraines correspondent au deuxième stock d’eau douce sur Terre, derrière les calottes glaciaires de l’Antarctique et du Groënland.

Merci M. Lachassagne pour cette entrevue !

Vous en savez maintenant un peu plus sur les nappes souterraines et les processus hydrogéologiques. Vous vous intéressez à l’eau et son cycle ? Jetez un coup d’œil à la Fresque de l’Eau

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