Caractérisation physique et approche numérique du rôle des aquitards dans les systèmes aquifères multicouches - Application au complexe tertiaire nord-aquitain [O. Cabaret, 2011]

Olivier CABARET
BRGM Aquitaine - 24, Avenue Léonard de Vinci - 33600 PESSAC
o.cabaret brgm.fr

Partenaires :
 SUEZ-Lyonnaise des Eaux
 SMEGREG
 Agence de l’eau Adour-Garonne
 Région Aquitaine


Sommaire de l’article :

• Introduction
• Caractérisation géologique à partir de l’outil diagraphique
• Apport d’un forage expérimental à la caractérisation des propriétés hydrodynamiques des aquitards
• Approche quantitative du rôle des aquitards

Introduction

Les bassins sédimentaires sont le siège de systèmes aquifères   multicouches au sein desquels les aquitards, sont des corps de roche de faible perméabilité  , généralement composés de matériaux argileux, où le captage de quantités d’eau appréciables n’est pas possible, mais à travers lequel des transferts d’eau significatifs peuvent apparaître en provenance ou à destination d’aquifères   contigus (Castany et Margat, 1977). Dénommés ainsi « couches semi-perméables », ces aquitards exercent un rôle prépondérant sur l’hydrodynamisme général en contrôlant à la fois la quantité et la qualité d’une partie des eaux circulant dans les aquifères  . La complexité de l’organisation de ces formations aquitards, qu’elle soit structurale, géologique ou encore hydrodynamique, mais également le défaut d’informations les concernant, conduisent généralement à des incertitudes quant à la quantification de leur influence sur les transferts inter-aquifères  . Une méthodologie retenue est de caractériser géologiquement et hydrodynamiquement les aquitards afin d’élaborer un modèle numérique 3D permettant d’appréhender le rôle des formations semi-perméables dans le fonctionnement hydrodynamique d’un multicouche complexe.

Le bassin   nord-aquitain fait ici figure d’exemple tant les inter-relations entre les différents aquifères  , notamment ceux du Tertiaire, au travers des aquitards sont marquées. La région de Bordeaux (Figure1), soumise à d’importants prélèvements notamment pour l’alimentation en eau potable  , sert ainsi de cadre d’étude. L’agencement vertical des couches réservoir est schématiquement représenté à sa base par le multicouche éocène, dans lequel le réservoir principal est celui de l’Eocène moyen. Il est surmonté de l’aquitard puissant oligocène-éocène sur lequel repose les aquifères   de l’Oligocène, du Miocène et du Plio-Quaternaire pouvant être séparés par des couches semi-perméables peu épaisses.

Figure 1 : A) Localisation de la zone d’étude (Fond : extrait de la carte géologique de la France à 1 :1000000 (Platel et al, 2004)) ; B) Représentation schématique de l’agencement vertical des couches réservoir dans la région bordelaise

Caractérisation géologique à partir de l’outil diagraphique

L’agencement vertical des couches de la région bordelaise est essentiellement défini sur la seule base des observations et datations des déblais remontés en cours de forage. On propose par la suite d’utiliser l’outil diagraphique afin de replacer la succession des différents réservoirs et d’identifier les horizons semi-perméables en termes de géologie et de géométrie.

La diagraphie est une technique de reconnaissance de forages qui définit l’ensemble des enregistrements en continu de paramètres physiques et/ou chimiques en fonction de la profondeur (Ellis et al., 2007). Ces paramètres, étroitement reliés à la géologie, constituent ainsi une aide précieuse à la description lithologique des formations traversées par le forage.
Diverses diagraphies ont été employées afin de réexaminer la structure verticale des dépôts tertiaires et de décrire le plus précisément possible la nature et la géométrie des aquitards (Figure 2) :

• la diagraphie Gamma-ray mesure la radioactivité naturelle totale des roches, laquelle est composée majoritairement de trois isotopes 40K, 238U et 232Th qui, dans les bassins sédimentaires, se concentrent préférentiellement dans les sédiments fins, riches en éléments argileux correspondant aux aquitards (Keys et MacCary, 1971) ;
• les diagraphies de résistivité petite-normale et long-normal traduisent la capacité du milieu à laisser passer un courant électrique. Les roches sédimentaires montrent des contrastes de résistivité en fonction des minéraux qui la compose, de la porosité  , de la connectivité des pores ou encore de la salinité des fluides remplissant l’espace poreux (Zhdanov et Keller, 1994). En règle générale, les argiles présentent des résistivités faibles en comparaison des roches calcaires et gréseuses (Marescot, 2006) ;
• les diagraphies de production concernent la mesure du flux ou du débit au sein de la colonne captante d’un ouvrage d’exploitation. Elles permettent d’identifier l’origine des arrivées d’eau et d’apprécier les échanges au sein du forage.

Figure 2 : Exemples de réponses obtenues par les mesures diagraphiques, les flèches vertes indiquent l’arrivée d’eau

L’identification des caractéristiques diagraphiques des formations et la prise en compte de singularités lors de l’interprétation des mesures géophysiques ont conduit à la mise à jour de l’agencement vertical des formations sédimentaires de la région bordelaise et a défini un nouveau schéma hydrogéologique dont les éléments marquants sont (Figure 3) :

• la présence d’un niveau argileux à la base du recouvrement plio-quaternaire,
• des lacunes de dépôts de l’éponte chattienne conduisant à une continuité hydraulique des aquifères   miocène et oligocène,
• la présence d’un niveau plus calcaire et sableux au sein de l’éponte oligocène-éocène d’épaisseur faible (≈10 m) et d’extension limitée (circonscrite à la partie nord-ouest de la zone d’étude),
• la distinction en trois sous-unités du réservoir éocène.

Figure 3 : Nouveau schéma sédimentaire bordelais

Apport d’un forage expérimental à la caractérisation des propriétés hydrodynamiques des aquitards

Les propriétés hydrodynamiques des aquitards ont été approchées grâce à la réalisation d’un forage expérimental, dénommé OPURES_1, dédié à l’étude de l’aquitard oligocène-éocène au nord de la zone d’étude. Ce forage (Figure 4), réalisé directement dans les formations argileuses présentes entre 29 m et 85 m de profondeur, a été exécuté par la méthode rotary et par carottage. Après mesures diagraphiques, il a été instrumenté sous la forme d’un puits multi-niveaux où chacune des cinq chambres de contrôle a consisté à disposer au sein d’un gravier grossier deux tubages inox crépinés sur un mètre. L’un pour effectuer un suivi en continu des pressions, l’autre permettant de réaliser des prélèvements. Chaque chambre est surmontée d’une couche de gravier fin puis est isolée par cimentation sous pression.

Figure 4 : Forage OPURES_1. Coupe géologique, mesures diagraphiques et coupe technique

L’observation des cuttings et carottes ainsi que les mesures diagraphiques montre une certaine hétérogénéité de cet aquitard qui s’exprime au sein d’un ensemble argileux par des niveaux silto-sableux et calcaires généralement de faible épaisseur et avec des indurations plus ou moins marquées. Les mesures de résistivité identifient un passage silto-sableux correspondant à la couche semi-perméable observée précédemment à l’échelle du domaine d’étude.

Sur les carottes récupérées, une caractérisation du réseau poreux des argiles a été effectuée à l’aide de la méthode de porosimétrie mercure (Pittman, 1992 ; Daïan, 2007). Celle-ci consiste à soumettre un échantillon de roche désaturé à une injection de mercure. Sous l’effet de l’augmentation de pression sur ce mercure, par paliers successifs, l’air contenu dans l’échantillon est progressivement remplacé par le mercure. Ce mercure étant un liquide non mouillant, son injection dans un matériau est réalisée en lui appliquant une pression d’autant plus forte que les pores sont plus petits (Figure 5). La relation de Washburn (1921) permet alors de relier le rayon de connexion moyen de pores à la pression capillaire afin de reconstituer la courbe de distribution des diamètres de pore DC sur laquelle les macroporosités A et B (DC ≥ 0,1 μm) et la mésoporosité (DC ≤ 0,1 μm) peuvent être définies.

Figure 5 : Courbe d’injection de mercure dans un échantillon et distribution des diamètres d’accès de pores associée

A partir de ces mesures pétrophysiques, une estimation de la conductivité hydraulique des carottes a été réalisée selon deux approches différentes. La première, celle de Dullien (1992), assimile la distribution du réseau poreux à des tubes capillaires. La méthode de Katz-Thompson (1986) s’appuie quant à elle sur la longueur caractéristique de l’échantillon, obtenue à partir de la courbe d’injection de mercure, et reliée à la perméabilité   grâce à des mesures de résistivité du milieu.

Les deux modèles s’accordent sur une valeur moyenne de conductivité hydraulique de l’ordre de 1.10⁹ m.s^-1 (Figure 6) mais avec des amplitudes plus importantes pour le modèle de Katz-Thompson, comprises entre 10^-12 à 10^-7 m.s^-1. Les niveaux silto-sableux, à plus forte proportion de macropores, présentent des conductivités hydrauliques supérieures d’environ un ordre de grandeur.

Figure 6 : Résultats des conductivités hydrauliques obtenues par la méthode de Katz-Thompson et de Dullien

En complément, l’enregistrement des pressions au sein de l’aquitard a servi à l’estimation de la diffusivité de l’aquitard. Dans un premier temps, la réponse de l’aquitard à la pression atmosphérique a été utilisée pour déterminer le coefficient d’emmagasinement   spécifique de la formation à environ 10^-6 m^-1. Ensuite, les fluctuations cycliques observées sur les enregistrements de pression ont permis d’estimer la diffusivité verticale de l’aquitard. Les conductivités hydrauliques obtenues sont comprises entre 1.10^-11 m.s^-1 et 7.10^-12 m.s^-1, lesquelles sont dans la gamme basse de celles obtenues par l’analyse pétrophysique.

Approche quantitative du rôle des aquitards

Sur la base du nouvel agencement vertical des dépôts issu des réinterprétations diagraphiques et des propriétés hydrodynamiques des aquitards obtenues à partir de mesures en laboratoire et in situ, un modèle hydrogéologique 3D a été réalisé afin d’approcher quantitativement le rôle des aquitards dans le fonctionnement hydrodynamique du système aquifère  .

Le domaine modélisé prend en compte l’essentiel du domaine d’exploitation d’eau potable de la communauté urbaine de Bordeaux et couvre une superficie de 827 km² permettant de concentrer les données les plus complètes en termes de prélèvements et de point d’observation. Il consiste en un maillage carré au pas de 200 m. La période 1999-2008 est simulée avec un pas de temps mensuel.
La discrétisation verticale des horizons observés dans le domaine d’étude est reproduite sous forme de 13 couches de calcul représentées par 6 aquifères   et 6 aquitards auxquelles s’ajoute l’horizon semi-perméable révélé au sein de l’éponte oligocène-éocène (Figure 7).

Figure 7 : Transposition numérique de la géologie de la région bordelaise dans le modèle

Le calage en régime permanent puis transitoire a permis de restituer correctement l’état des nappes   du multicouche tertiaire du secteur d’étude. Le bilan global du fonctionnement du système rend ainsi compte de l’importance des flux de drainance au travers des formations aquitards pour la recharge de certains aquifères  . Le modèle a également permis de restituer le comportement des fonctions stockage/déstockage des différents aquitards (Figure 8).

Figure 8 : Evolution du flux d’emmagasinement   de trois aquitards sur la période 1999-2008

Selon la position des aquitards au sein du multicouche, des différences de comportement sont observables. Ainsi, ceux situés à proximité de la surface, comme celui entre les aquifères   plio-quaternaire et miocène, déstockent durant la majeure partie de l’année tandis que le stockage ne s’effectue que sur des périodes courtes durant la recharge par les précipitations de janvier à mars.
Plus en profondeur, la dynamique des flux est similaire mais présente moins de régularité dans le déstockage. Les amplitudes des flux d’emmagasinement   de l’aquitard oligocène-éocène sont par ailleurs bien plus élevées. Enfin, les aquitards de l’Eocène montrent une structuration nettement différente des aquitards précédents. Les contraintes hydrodynamiques auxquelles sont soumis ces aquitards par le biais des pompages d’exploitation étant probablement à l’origine de cette dynamique.

En complément, l’influence de l’horizon semi-perméable révélé au sein de l’aquitard oligocène-éocène sur l’hydrodynamisme général a été précisé. Un second modèle a ainsi été réalisé. Il reprend en tout point les caractéristiques du modèle précédent et ne diffère que par les valeurs de conductivité hydraulique de cet horizon semi-perméable qui ont été affectées de celles de l’aquitard oligocène-éocène.
Les résultats ont montré que l’intégration d’une couche semi-perméable, d’extension et d’épaisseur relativement faibles (≈10 m), au sein de l’aquitard principal de la zone d’étude n’a pas généré d’influence notable sur les variations de charges calculées au sein des aquifères  . Toutefois, le bilan global révèle que la présence de cette couche a un impact sur les flux d’écoulement et les temps de transfert.

Au final, si l’utilisation de paramètres hydrauliques équivalents reste une solution correcte pour un modèle hydrodynamique régional, la prise en compte des hétérogénéités au sein des aquitards pour un modèle à résolution plus élevée reste indispensable. Ce travail a ainsi contribué à améliorer les connaissances des formations semi-perméables en proposant une méthodologie adaptable aux contraintes d’exploitation et accessible aux acteurs de la gestion de l’eau. L’extension à l’échelle régionale de la méthodologie développée au cours de cette étude constituerait une amélioration significative à la définition spatiale des aquifères   et aquitards du multicouche nord-aquitain, indispensable à une gestion globale de la ressource en eau souterraine.