Datation des eaux souterraines

Au sein des aquifères, l’âge des eaux souterraines, c'est-à-dire de son temps de transfert de son point d’infiltration vers son exutoire naturel ou non (captage) peut varier du jour au(x) million(s) d’années suivant le contexte géologique et hydrogéologique local.

Pour les hydrogéologues c’est « le » paramètre essentiel qui permet de calibrer temps de renouvellement, temps de transfert et vitesse de l’eau :

• Age = temps de transfert : il permet donc de déterminer la vitesse entre deux points d’eau situés sur une même ligne d’écoulement, de prédire le temps que mettra une pollution à atteindre l’ouvrage en aval… Le temps de transfert de l’eau c’est aussi le reflet du temps de transfert des solutés présents dans l’eau comme les nitrates et les pesticides (au facteur de retard près)
• Age = taux de renouvellement : la mise en pompage d’un site modifie son hydrodynamique, mais le débit pompé permet-il d’atteindre un nouvel équilibre ou tend-il à faire intervenir de plus en plus d’eau à faible taux de renouvellement et donc de plus en plus vulnérables ?
• Age = outil de calage des modèles hydrogéologiques : parce que le facteur temps est souvent un paramètre limitant dans l’évaluation des modélisations numériques.

Ainsi la connaissance de l’âge de l’eau peut permettre d’apporter des éléments de réponse dans les problématiques de pollution diffuse ou ponctuelle et de connaissance de la ressource.

La datation des eaux souterraines est donc un outil qui permet de mieux connaitre le fonctionnement des nappes souterraines. Elle permet de mieux comprendre les évolutions des qualités chimiques des eaux de nappes et des rivières qui y sont associées. Validée scientifiquement, c’est désormais un outil innovant d’aide à la décision pour une gestion durable de la ressource en eau accessible à tous les acteurs de la protection de la ressource en eau.

Historique

La détermination du temps de résidence des eaux souterraines est souvent réalisée de manière indirecte à partir de la résolution des équations de Darcy ou de la Loi de Fick (Metcalfe et al. 1998). Mais cette méthode nécessite une connaissance exhaustive du milieu souterrain et de ses propriétés hydrauliques pour limiter l’incertitude sur les âges. L’approche directe à l’aide d’un traceur permet une observation plus objective des temps de résidence au sein de l’aquifère, à l’échelle du bassin versant.

Il existe différents types de traceurs adaptés aux différents ordres de grandeurs qui peuvent être rencontrés dans le milieu souterrain. Le plus connu est sans conteste le Carbone 14 utilisé pour des temps de résidences compris entre quelques centaines d’années et 50 000 ans. D’une manière générale ces nappes à très faible taux de renouvellement (parfois abusivement qualifiées de nappes fossiles) sont plutôt aujourd’hui bien identifiées car elles sont souvent des aquifères relativement productifs et très utilisés.

Un second traceur largement utilisé en hydrogéologie est le tritium dont la concentration atmosphérique a été marquée par un pic durant le début des années 60, à la suite des essais nucléaires atmosphériques. Les concentrations sont aujourd’hui beaucoup plus basses et les mesures sont devenues beaucoup plus délicates à interpréter.

Les chlorofluorocarbones (CFC) sont eux caractéristiques des eaux récentes, infiltrées au cours des 50 dernières années. Ce sont donc des traceurs contemporains de l’intensification des activités anthropiques tant au niveau agricole que technologique.

Les CFC ou chlorofluorocarbones sont plus connus sous leur nom commercial : fréons©. Leur production de ces gaz a commencé au cours des années 50 dans un premier temps pour remplacer les gaz réfrigérants habituels plutôt dangereux et toxiques (ammoniaque, isobutane…). Ils ont eu depuis de nombreuses autres applications comme gaz propulseur des aérosols, solvants, matière première dans la synthèse de composés synthétique agent d’expansion de mousse…(Höhener et al., 2003). Les CFC de par leur innocuité pour la population humaine (ininflammables, non toxiques ni cancérigènes) ont été très largement utilisés. En conséquence les concentrations atmosphériques de ces gaz ont très fortement augmenté dans l’atmosphère à partir des années 1960. Néanmoins dès 1974 des études scientifiques ont mis en évidence que le radical Cl issu de la photolyse de ces composés pouvait avoir un effet destructeur sur la couche d’ozone, rempart naturel de la Terre contre les UV solaires. A partir de 1978 la NOAA (National Oceanic and Atmospheric Administration) a lancé un programme de suivi des composés halogénés (dont font partie les CFC) dans l’atmosphère. Dès 1985 la production de ces composés a été réglementée au travers du protocole de Montréal. La fin des CFC est annoncée dans les années 1990 lorsqu’ils sont classés dans la catégorie des gaz à effet de serre. Ils sont également soumis au protocole de Kyoto ratifié en 1997.
Le fort engouement industriel pour ces gaz « miracles » puis la découverte de leur(s) propriété(s) néfaste(s) pour l’environnement ont conduit à une évolution caractéristique des concentrations atmosphériques de ces composés (figure 1) : une croissance exponentielle entre 1950 et 1990, avant un plateau des années 1990 aux années 2000 suivi d’une légère diminution à partir des années 2000.

Les CFC ont d’abord été utilisés dans le cadre de la datation et du suivi des masses océaniques dans les années 70 (Lovelock et al., 1973; Bullister and Weiss, 1983). Les premières études hydrogéologiques datent de la fin des années 1970 (Randall and Schultz, 1976; Thompson and Hayes, 1979) et leur utilisation plus régulière est concomitante de la publication d’une procédure de prélèvement par l’USGS (Busenberg and Plummer, 1992). La datation des eaux par les CFC (Plummer and Friedman, 1999) a été rendue possible par la connaissance de :

• leurs concentrations atmosphériques sur les 50 dernières années (Bauer et al., 2001)
• leurs solubilités dans l’eau (Warner and Weiss, 1985; Bu and Warner, 1995)

De plus, les concentrations en CFC dans l’air et l’eau sont assez importantes pour être quantifiées. Enfin ce sont des composés relativement stables face aux conditions physico-chimiques atmosphériques et biogéochimiques rencontrées dans les milieux souterrains (Metcalfe et al., 1998).

Le principe de la datation

Représentation simplifiée de la circulation d’eaux souterraines marquées par transfert « piston ». 1) La première année l’eau des précipitations s’infiltre dans le milieu et acquière la signature chimique de l’atmosphère (symboles identiques). 2) l’année suivant la concentration atmosphérique du traceur augmente, l’eau qui s’infiltre au cours de cette année a donc une signature chimique différente de celle de l’année précédente. 3) ces signatures chimiques vont, en l’absence de dilution, de mélange ou de dégradation, être conservées par la masse d’eau jusqu’à l’exutoire du système.

En théorie le principe de datation par traceurs atmosphériques tels que les CFC est assez simple : l’eau qui s’infiltre dans le sous-sol se met à l’équilibre avec l’atmosphère, elle a donc une signature chimique en lien direct avec la composition de l’atmosphère.

Dans le milieu souterrain on admet communément (en tout cas dans les zones de recharge) et par simplification que la circulation des eaux souterraines est de type « circulation par effet piston » : dans ce type de circulation il n’y a que peu de mélange entre les masses d’eau infiltrées au cours de pluies différentes, et à fortiori au cours d’années différentes. De manière très imagée, on peut assimiler la circulation des eaux souterraines à un collier de perles ou chaque nouvelle pluie infiltrée (perle) vient pousser celle précédemment en place, aboutissant, en bout de chaîne, à la libération d’une masse d’eau au niveau de l’exutoire. Tout l’intérêt de la datation des eaux réside dans le fait de savoir combien de « perles » contient le « collier » représentant la circulation des eaux souterraines. Pour des situations plus complexes, un échantillon d’eau peut représenter les contributions composites de plusieurs zones de contribution ayant chacune son temps de résidence propre. Dans ce cas, la distribution des temps de résidence au sein de l’aquifère est une mesure tout à fait importante, même si elle ne représente plus directement le temps de résidence mais un âge apparent.

Pour suivre une masse d’eau il suffit de la « marquer » à l’aide de traceurs (figure 2). La masse d’eau qui s’infiltre va garder tout au long de son trajet souterrain sa « signature atmosphérique » jusqu’à son exutoire naturel (source, rivière) ou artificiel (captage, forage). Plusieurs gaz atmosphériques composent cette « signature atmosphérique » de l’eau, mais il convient d’utiliser comme traceur un (ou des) composés qui sont (1) peu sensibles à la dégradation et à l’adsorption dans le milieu naturel et (2) dont les concentrations d’une année sur l’autre sont connues et varient suffisamment pour être distinguées. Les chlorofluorocarbones ont été identifiés depuis les années 1970 en océanographie et le début des années 1980 en hydrogéologie, comme répondant à ces contraintes et représentent donc des traceurs adéquats des masses d’eau.

Le succès de la datation des eaux souterraines à partir du dosage des CFC repose sur 4 conditions principales:

• L’aquifère n’est pas contaminé en CFC par des sources anthropiques (décharges sauvages où auraient pu être stockés des réfrigérateurs, site situé à proximité d’une zone industrielle utilisant ou ayant utilisé des CFC dans leurs processus industriels…) : néanmoins il est assez rare que le site soit contaminé pour tous les CFC analysés chacun ayant un usage spécifique (réfrigérant, solvant ou gaz propulseur).
• Les concentrations en CFC n’ont pas été altérées par des processus biologiques, géochimiques ou hydrologique ayant conduit par dilution ou dégradation à une baisse significative des concentrations en CFC dans l’eau. A noter que les CFC sont des composés peu dégradable et que processus de dégradation biologique sont séquentiels. La dégradation de tous les CFC analysés nécessite des conditions de milieu extrêmement réductrices qui sont rarement rencontrées dans les milieux souterrains. L’utilisation de plusieurs CFC permet d’éviter que la dégradation d’un CFC compromette toute datation. Les dilutions sont quant à elles souvent déjà quantifiées par la ou les étude(s) hydrogéologique(s) réalisées sur le site ce qui permet de s’en affranchir.
• La température moyenne du sol doit pouvoir être estimée pour calculer le facteur de solubilité.
• La méthode de prélèvement doit permettre un échantillonnage sans contact atmosphérique ou avec toute autre source de CFC

Paramètres pouvant influencer la datation

Les CFC

Les chlorofluorocarbone

Il existe plusieurs CFC suivant les combinaisons des atomes de chlore et de fluor dont ils sont composés. Chaque CFC est donc repéré par un chiffre de type xyz où

• x est le nombre d’atome de carbone -1 (pour 1 atome de carbone x étant égal à zéro n’est pas noté et le chiffre devient yz uniquement)
• y est le nombre d’atome d’hydrogène +1
• z est le nombre d’atome de fluor

le nombre d’atomes de chlore est déduit de la séquence, chaque atome de carbone possédant 4 liaisons possibles.

Le CFC-11 est donc une molécule avec un atome de carbone, pas d’atome d’hydrogène, un atome de fluor et 3 atomes de chlore. Le nombre de combinaisons est très important mais 5 CFC sont plus largement utilisés. La figure suivante présente les formules chimiques des 3 CFC utilisés en datation des eaux.

L’analyse des CFC

Les concentrations atmosphériques en CFC sont faibles : de l’ordre du µL pour 1000 L d’air. De par les lois de solubilité des gaz entre l’eau et l’air, les concentrations en CFC dans les eaux souterraines sont 100 à 1000 fois moins importantes : de l’ordre de la picomole par litre (10-12 mol/L). L’analyse des CFC nécessite donc des outils analytiques de pointe.

L’analyse des CFC dans les eaux souterraines est réalisée en trois étapes (figure 3):

• l’extraction des gaz dissous dans l’eau souterraine par dégazage (bullage à l’azote pur)
• la préconcentration des gaz sur un piège (piégeage à froid)
• la desorption à chaud des gaz pour analyse en chromatographie en phase gazeuse

Le système de préconcentration, appelé « purge-and-trap » permet de concentrer en un faible volume (quelques millilitres) l’ensemble des gaz de l’échantillon (30 mL d’eau) et d’atteindre ainsi une limite de détection extrêmement faible.

Quelques exemples d'études

En 2006, une vingtaine d’études de datation des nappes souterraines à l’aide des CFC pouvaient être dénombrées sur une quinzaine de sites (ne sont pas comptées ici les études portant sur la validité de la méthode et l’influence de certains paramètres). Bien que la majorité des études aient lieu aux USA, quelques études ont été réalisées en Europe (Oster et al., 1996; Beyerle et al., 1999; Corcho Alvarado et al., 2005) ou en Australie (Cook and Simmons, 2000). La plupart des études ont été développées par (ou ont impliqué) les auteurs E. Busenberg et N. Plummer (USGS, Reston) ou P. Cook (CSIRO, Australie).

En France, depuis 2007, une trentaine d'études de datation des nappes souterraines à l'aide des CFC ont été réalisés pour des organismes d'état, des syndicats des eaux, des eaux thermales et embouteillées.

Quelques exemples publiés :

'* Des sites alluviaux :'

• • Un aquifère alluvial en Oklahoma (Busenberg and Plummer, 1992)
  • Un aquifère dans la Péninsule de Delmarva (Dunkle et al., 1993; Ekwurzel et al., 1994; Reilly et al., 1994; Böhlke and Denver, 1995)
  • Un aquifère peu profond présent dans les dépôts du delta d’une rivière de l’Ontario (Canada) (Cook et al., 1995; Cook and Solomon, 1997)
  • Deux sites sur la vallée du Rhin (Oster et al., 1996)
  • Un site en nappe alluviale le long de la rivière Töss (Nord de la Suisse) (Beyerle et al., 1999)
  • Deux sites ponctuels dans la plaine côtière du Delaware (Szabo et al., 1996)
  • Un bassin-versant de grande taille dans le New Jersey (Modica et al., 1998)

• Des sites en milieu fracturé :
  • Un profil vertical dans un aquifère peu profond se développant dans l’altérite d’un schiste et dans le réseau de fissures et de fractures du socle (Cook et al., 1996; Cook and Solomon, 1997)
  • Un profil vertical situé dans un contexte de roches métamorphiques dans la Clare valley près d’Adélaide (Australie) (Cook and Simmons, 2000; Cook et al., 2005)
  • Une série de sources et de puits en contexte cristallin (métabasalte et granodiorite) dans le parc national de Shenandoah, Blue range mountains (U.S.A.) (Plummer et al., 2001)
  • Un aquifère en milieu basaltique peu profond en Allemagne (Bauer et al., 2001)
  • Un aquifère cristallin en Suède (Cambrien) (Bockgard et al., 2004)
  • Application des résultats au transfert d’azote dans les aquifères fracturés hétérogènes (exemple de la Bretagne) (TSM n°1, année 2008, 103^e année, page 37-44)

• Un site en milieu karstique :
  • Une résurgence dans l’Upper Floridan aquifer (U.S.A.) (Katz et al., 1995; Plummer et al., 1998; Katz, 2004; Katz et al., 2004)

Dans la plupart des études de datation, les molécules suivies sont le CFC-11 et le CFC-12 (Busenberg and Plummer, 1992; Busenberg et al., 1993; Dunkle et al., 1993; Ekwurzel et al., 1994; Oster et al., 1996; Beyerle et al., 1999), parfois seul le CFC-12 (Cook and Solomon, 1997; Cook and Simmons, 2000) et enfin depuis la fin des année 90 la majorité des études analysent les trois CFC (CFC-11, CFC-12 et CFC-113) Cook and Solomon, 1995; Cook et al., 1996; Szabo et al., 1996; Modica et al., 1998; Bauer et al., 2001; Katz et al., 2001; Bockgard et al., 2004).

L’âge des eaux souterraines : un outil de gestion de la ressource en eau pour les collectivités et les bureaux d’études

C’est à la recommandation du bon état écologique des eaux en 2015 requise par la directive cadre européenne, que la datation des eaux souterraines peut permettre de répondre.

L’analyse des concentrations en CFC a également un second avantage non négligeable dans la gestion des bassins versants : c’est un excellent traceur des eaux récentes car spécifique des eaux infiltrées après les années 1950. Leur présence dans une nappe « ancienne » ou leur apparition progressive au cours d’un essai de pompage longue durée sont les signes de connexions de l’aquifère exploité avec les eaux de surface et donc d’une vulnérabilité potentielle de la ressource.

La datation des eaux souterraines permet d’apporter des éléments de réponse aux questions essentielles de la gestion de l’eau : - Quel est le taux de renouvellement de la nappe ? - De quand datent les polluants présents dans la nappe (et en particulier de quand datent les nitrates) ? - Quel délai va-t-il exister entre un changement de pratiques en surface et un changement de la qualité de l’eau ?

Notes et références / Bibliographie

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Liens externes

• http://www.lades.fr : Le LADES, 1^er laboratoire privé français spécialisé dans la datation des eaux souterraines

• (en) Chlorofluorocarbons Background

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