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Etat des connaissances géologiques structurales et hydrogéologiques du bassin d'Aix-Gardanne Définition d'un programme de mesures et d'investigations complémentaires Phase 3 Rapport final BRGMIRP-53239-FR septembre 2004 Étude réalisée dans le cadre des opérations de Service public du BRGM 03EAUC68 A. And, N. Dorïliger, N. Rampnoux. M. Moulin Avec la collaboration de S. Solages J

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Etat des connaissances géologiques structurales et hydrogéologiques du

bassin d'Aix-Gardanne Définition d'un programme de

mesures et d'investigations complémentaires

Phase 3 Rapport final

BRGMIRP-53239-FR septembre 2004

Étude réalisée dans le cadre des opérations de Service public du BRGM 03EAUC68

A. A n d , N. Dorïliger, N. Rampnoux. M. Moulin Avec la collaboration de

S. Solages

J

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Mots clés : Bassin de l'Arc, Bassin d'Aix-Gardanne, Jurassique, Crétacé, Investigations complémentaires, Hydrochimie, Traçage, Datation, Karstification, Fracturation. Piézométrie.

En bibliographie, ce rapport sera cité de la façon suivante :

A. Ancel, N. Doriliger. N. Rampnoux, M. Moulin avec la collaboration de S. Solages (2004). Bassin d'Aix-Gardanne 1 état des connaissances géologiques structurales et hydrogéologique. Rapport de phase 3 : définition d'un programme de mesures et d'investigations complémentaires. Rapport BRGMiRP-53239-FR. 94 pages; 22 illustrations.

O BRGM. 2004, ce document ne peut être repmduii en totalité ou en pariie Sans I'auiorisaiion expresse du BRGM.

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Etat des connaissances géologiques structurales et hydrogéologique du bassin d'Aix-Gardanne Définition d'un programme de mesures et d'investigalions complémentaires

Synthèse tant donné l'intérêt que suscite les ressources en eaux souterraines du Bassin de E l'Arc, mais en même temps le peu de données disponibles sur celle-ci et donc les

nombreuses interrogations qu'elles soulèvent, le Comité Technique de l'Eau de la région PACA a désigné lors de sa réunion de présentation de la politique régionale de l'Eau en juin 1999, cet ensemble aquifère comme devant faire l'objet d'une démarche globale de connaissance, de proiection, de gestion, et de suivi en accord avec les préconisations du SDAGE.

C'est dans ce contexte que la DIREN PACA, le Conseil Général des Bouches-du- Rhône et le BRGM ont souhaité réaliser en accord avec les organismes départementaux, régionaux et de Bassin, une étude de mise à jour des connaissances sur cet ensemble accompagnée de propositions d'investigations supplémentaires et de suivis, nécessaires aux prises de décisions sur : les options de fermeture des houillères. l'utilisation des eaux pour certains usages, les mesures réglementaires de protection éventuellement à prendre, etc.. .

En outre, le (( schéma directeur d'alimentation en eau potable du Département des Bouches-du-Rhône )) met en avant la nécessité qu'il y a de mieux connaître les ressources en eau du Bassin de l'Arc.

Limites de i'étude

Au plan géographique I'étude porte sur I'ensemble dit "Crétacé et Jurassique du bassin d'Aix". tel qu'identifié dans le SDAGE RMC, portant le no 165 du code SANDRE BRGM et couvrant une superficie d'environ 250 Km2.

Au plan géologique l'étude porte sur l'ensemble allant des formations les plus récentes (alluvions actuelles de l'Arc) jusqu'au formations aquifères du Jurassique Inférieur.

L'étude inclut donc aussi, les formations non karstiques présentes dans celui ci.

A l'issue d'une étude bibliographique exhaustive, d'enquétes de terrain visant à inventorier les points existants et leur caractéristiques, une synthèse de l'état des connaissances du bassin hydrogéologique a été établie (rapport BRGM/RP-53238-FR. octobre 2004).

Dans le présent rapport on propose un certain nombre de campagnes de mesure d'analyses et d'études spécifiques complémentaires visant à acquérir, au terme de deux années, les données indispensables pour évaluer et protéger cette ressource en eau en fournissant ainsi aux décideurs et aménageurs les éléments nécessaires et suffisants pour, s'il y a lieu, des prises de décision

Cette approche multidisciplinaire propose de mettre en œuvre les moyens et méthodologies suivantes :

Identification des aquifères :

- Etude de la fracturation ; - Etude de la karstification ; - Etude complémentaire de géologie et géophysique.

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Etat des connaissances géologiques structurales et hydrogéologique du bassin d'Aix-Gardanne Définition d'un programme de mesures et d'invesligations complémentaires

4 BRGMIRP-53239-FR

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Etat des wnnaissances géologiques structurales et hydrogéologique du bassin d'Aix-Gardanne Définition d'un programme de mesures et d'investigations complémentaires

Sommaire

Synthèse ...................................................................................................................... 3

1 . Introduction ............................................................................................................ 9

2 . Rappels et généralités .......................................................................................... 13

2.1. Présentation geologique et structurale du bassin ..... ..... 13

2.1.1. Evolution géodynamique ........................................................................... 13

2.1.2. Les formations affleurantes du bassin de l'Arc .......................................... 14

2.2. le contexte hydrogéologique du bassin .............................................................. 16

2.3. Méthodologies d'étude de l'hydrogéologie des karsls profonds sous couverture ................................................................. .................................... 17

3 . Détermination de i'extension de l'aquifère ......................................................... 21

3.1. Campagne hydrochimique ................................................................................. 21

3.1 . 1. Généralités sur la méthodologie de l'outil "hydrochimie" ........................... 21

3.1.2. Informations délivrées par les éléments majeurs testés ............................ 22

3.1.3. Apports des principaux résultats issus des analyses récupérées dans la

3.1.4. Proposition de réseau de suivi hydrochimique .......................................... 25

3.1.4.1. Proposition d'ouvrages et sources pour la réalisation de prélèvements d'eau ........................................................................................................... 26

3.1.4.2. Données analytiques disponibles pour une interprétation hydrochimique ................................................................................................. 31

3.1.4.3. Proposition relative aux ouvrages à suivre en dehors de la limite bassin dans le cadre d'une campagne d'hydrochimie ................................................. 32

bibliographie pour le programme complémentaire ..................................... 24

. .

3.2. Etude de la fracturation (méthode ERASO) ........................................................ 35

3.2.2. Application de la méthode sur le Bassin d'Aix-Gardanne .......................... 36

3.2.1. Descriptif de la méthode ................ ...................................................... 35

3.3. Karstification et conditions aux limites ................................................................ 36

3.4. Compléments de géophysique ........................................... .......................... 37

BRGM/RP-53239.FR 5

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Etal des wnnaissances géologiques structurales et hydrogéologique du bassin d'Aix-Gardanne Définition d'un programme de mesures et d'investigations complémentaires

3.5. synoptique de la phase de détermination de I'extention de l'aquifère ..._.._........_. 39

4. Hydrodynarnisme et fonctionnement de l'aquifère ............................................. 41

4.1. Etude des exutoires connus ......... ................_... ..41

4.1 .l. Grands principes de l'analyse corrélatoire et spectrale - Modélisation inverse ...................................................................................................... 41

4.1.2. Choix des points d'application de ces méthodes de traitement du signal ... 42

4.2. Suivi de la remontée des eaux des mines de Gardanne ..................................... 42

4.3. Débits différentiels de la galerie a la Mer ............................................................. 43

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . , . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . , . . . . . . . . . . . . .43

4.4.1. Méthodes d'interprétation .__._......__.___._. .......................................................... 44

4.4.2. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .44

4.4.2.1. Données piézométriques disponibles . .. . .. . ._. ._. .. . .. ._.. ... ._. .__. ._. ._. .__.__._. . 44

4.4.2.2. Ouvrages existants à équiper en piézométrie ...... .... ... ... ... ...... ..

4.4.2.3. Piézomètres à créer. ,., ,., ,.. ,.., ._. ._. .. _. ._. ._. ._. ._. . .. ._. ._. ._. . ._.__. ._. ... .__._

4.5. Traçages ................................................................................................

4.4. Campagnes piezométriques

Présentation du réseau de suivi envisagé

4.5.1. Principe des essais de traçage ................................................................... 49

4.5.2. Traceurs choisis pour l'étude et méthode de mesures préconisée .__.__._.._. 49

4.5.3. Pré-localisation des essais de traçage ....................................................... 51

4.6. Datations .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .... ..... 51

4.6.1. Informations fournies par l'outil isotopique .................................................. 51

4.6.1.1. Les isotopes radiogéniques du strontium (rapportB7SrP?Sr) ._.._..__

4.6.1.2. Les isotopes du bore(rapporl " B f OB) _..._. ... ... ...._._._. , _.... ,., ,., .__. ._. ._. ._._ 53

4.6.2. Localisation des points de prélèvements pour datation isotopique ._.......... 53

4.7. synoptique de la phase de détermination de I'hydrodynamisme de l'aquifère ..... 54

5. Gestion durable de la ressource .......................................................................... 55

5.1. Productivite de I'aquifere ....................................................................... . I . .

5.1.1. Principe du pompage d'essai ..................................................................... 55

5.1.2. Méthodes d'interprétation ......................... .... 56

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Elal oes connaissances gbologiques slNclLraies et hydrogeologique au bass n d'Aix-Gardanne Definition d'an programme de mesures el d'investigations complémentaires

5.1.3. Informations fournies par les pompages d'essai ........................................ 56

5.2. Protection de la ressource .................................................................................. 57

5.2.1. Caractérisation de la vulnérabilité selon la méthode multicriteres RlSKE .. 57

5.2.2. Recommandations pour la protection de la ressource ............................... 57

5.3. synoptique de l'approche geslion durable de la ressource ................................. 58

6 . Synthèse du programme d'intervention .............................................................. 59

7 BRGM/RP-53239-FR

~~~~ - ~ .......... ........ .....

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Etat des connaissances géologiques structurales et hydrogeologique du bassin d'Air-Gardanne Délinilion d'un programme de mesures et d'investigations complémentaires

Liste des illustrations

Illustration 1 : Localisation du Bassin d'Aix-Gardanne et présentation des limites d'étude. ........................................................................................................................................ 11

-15 Illustration 2 : Contexte géologique du bassin d'Aix-Gardanne .................................

Illustration 3 : Tableau rbcapitulatif des différentes phases d'étude des karsts profonds sous couverture. ......................... .................................................................................. .20

Illusiraiion 4 : Origine et nature des informations apportées par les principaux éléments contenus dans les eaux des systèmes karstiques. 23

Illustration 5 : Nature des informations obtenues sur le sysiéme calco-carbonique. 24

Illustration 6 : Tableau récapitulatif des points, situés dans le bassin, utilisables pour des prélèvements lors de la campagne dhydrochimie ... ........................................ 27

Illustration 7 : Carte de localisation des ouvrages et sources situés dans le bassin utilisables pour un suivi qualité .................................................................................................... 29

Illustration 8 : Tableau récapitulatif des captages AEP sur les communes limitrophes au bassin d'Aix-Gardanne .......................................................................... ......................... 31

Illustration 9 : Tableau récapitulatif des points ADES du réseau qualité sur les communes limitrophes au bassin d'Aix-Gardanne. ............................. 31

Illustration 10 : Tableau récapitulatif des points BSS hors des limites du bassin d'Aix- Gardanne. .................................................................................................................................... 33

Illusiraiion II : Carle de location des ouvrages à suivre en dehors du bassin dans le 34

35

Illusiration 13 : Exemple de représentation 3D du mode de lecture du diagramme de Wolf. ............................................................................................................................................. 36

Illustration 14 ; Synoptique proposé pour la déterminationde I'extention de I'aquifère. .............. 39

Illusiration 15 : Carte de localisation de I'ensemble des profils géophysiques recensés sur la zone d'étude. ...................................................................................................................... 40

Illustration 16 : Tableau récapitulatif des ouvrages pré-sblectionnés pour le suivi

Illustration 17 : Localisation des ouvrages à suivre dans le cadre d'une campagne piézométrique. ............................................................................................................................ .47

Illustration 18 : Exemple de courbe de restitution^ ........... ........................................ 50

Illustration 19 : Informations obtenues par les outils isotopiques (( classiques ». ....................... 52

Illustration 20 : Synoptique proposé pour la détermination de I'hydrodynamisme de l aquifère ........................................................................................... ........................................ 54

Illustration 21 : Synoptique proposé pour la détermination de la gestion durable de la ressource. ............................................ ........................................ 58

Illustration 22 : Proposition de chronogramme d'intervention sur la suite de I'étude ................... 59

.............................

cadre d'une (ou plusieurs) campagne(s) d'hydrochimie. .....................

Illustration 12 : Exemple d'histogramme des directions des plans de drainage

piézométrique ............................ ............................. 46

, .

a BRGM/RP-53239.FR

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Etat des cnnnaissances géologiques structurales et hydrogéologique du bassin d'Aix-Gardanne Définition d'un programme de mesures et d'investigations complémentaires

1. Introduction Le bassin géologique d'Aix Gardanne présente un potentiel en eaux souterraines important mais relativement peu connu, tant sur le plan quantitatif, qualitatif que de ses conditions d'alimentation.

Cet ensemble a été classé par le SDAGE RMC parmi "les aquifères karstiques à forte valeur patrimoniale" en préconisant que l'opportunité d'utiliser ces aquifères pour la diversification de la ressource et la sécurisation de l'alimentation soit étudiée.

Cette idée a d'ailleurs été reprise dans le "Schéma d'alimentation en eau potable des Bouches du Rhône" réalisé par le Conseil Général.

Par ailleurs, étant donné l'intérêt que suscite cette ressource potentielle, mais en même temps le peu de données disponibles sur celle-ci et donc les nombreuses interrogations qu'elle soulève. le Comité Technique de l'Eau de la région PACA a désigné lors de sa réunion de présentation de la politique régionale de I'Eau en juin 1999, cet ensemble aquifère comme devant faire l'objet d'une démarche globale de connaissance, de protection, de gestion, et de suivi en accord avec les préconisations du SDAGE.

C'est dans ce contexte que la DIREN PACA, le Conseil Général des Bouches-du- Rhône et le BRGM ont souhaité réaliser en accord avec les organismes départementaux, régionaux et de Bassin, une étude de mise a jour des connaissances sur cet ensemble accompagnée de propositions d'investigations supplémentaires et de suivis, nécessaires aux prises de décisions sur : les options de fermeture des houillères, l'utilisation des eaux pour certains usages ainsi que les mesures réglementaires de protection éventuellement à prendre.

Un Comité de pilotage a été créé pour l'exécution de l'opération, hormis le Département, la DIREN et le BRGM, ce comité comporte les organismes ci après : la DRIRE et le ou les représentants de la MISE Bouches-du-Rhône. le Conseil Régional, le SABA et les HBCM.

A ce comité ont été associés les organismes compétents tels que : la SEM, la SCP et l'Université de Provence (Aix - Marseille 1).

Le programme a été réalisé en quatre phase distinctes qui comportent :

Phase 1 l'état des connaissances géologiques, structurales et hydrogéologiques du bassin aquifère.

Phase 2 Des enquêtes et acquisitions de données de terrain.

Phase 3 L'élaboration d'un programme technique et financier d'acquisition de mesures et d'investigation complémentaires.

Phase 4 La mise sous Système d'Information Géographique des données acquises dans le cadre du programme.

BRGMIRP-53239-FR 9

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Etat des connaissances géologiques structurales et hydrogéologique du bassin d'Aix-Gardanne Définition d'un programme de mesures et d'investigations complémeniaires

Chacune des phases du programme fait l'objet d'un rapport distinct.

Le présent rapport montre les propositions d'études et d'acquisitions de données complémentaires, objet de la phase 3 de l'opération.

Dans ce documeni, un certain nombre de termes techniques ou administratifs sont employés dont la définition figure dans le glossaire présenté en annexe 1.

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Etat des connaissances géologiques structurales el hydrogéologique du bassin d'Aix-Gardanne Définition d'un programme de mesures et d'investigations complémentaires

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Etat des connaissances géologiques slruclurales el hydrogéologique du bassin d'Aix-Gardanne Définilion d'un programme de mesures et d'investigations complémentaires

2. Rappels et généralités

2.1. PRÉSENTATION GEOLOGIQUE ET STRUCTURALE DU BASSIN

Le bassin de l'Arc est une cuvette synclinale d'allure tectonique simple, individualisée des le Crétacé supérieur (-100 Ma environ). Elle est limitée au Sud et au Nord par des structures plissées et des chevauchements plus ou moins complexes (illustration 2).

2.1.1. Evolution géodynamique Après l'édification suivie de l'a effondrement )) de la chaîne hercynienne à la fin de l'ère primaire, puis l'ouverture de l'océan atlantique et de la Téthys au début de l'ère secondaire, l'évolution régionale est marquée par le rapprochement des plaques Europe et Afrique dès la fin de l'ère secondaire. La structuration actuelle de la région est le résultat d'une lente évolution géodynamique, constituée de périodes de distension ou de compression, tantôt étendues à l'ensemble de la région, tantôt plus localisées : - Carbonifère supérieur, début du Permien (vers -330 à -270 millions d'années) : fin

de l'édification de la chaîne hercynienne, apparition de grandes failles (à mouvement normal ou décrochant) : faille de la Durance, faille de Salon-Cavaillon (et au-delà vers l'Ouest, failles de Nîmes et des Cévennes) ;

Fin du fen ien , début du Crétacé supérieur (entre -270 Ma et -80 Ma) : ouverture et fermeture de la Téthys ; période de sédimentation en Provence ; jeu normal des grandes railles tardi-hercyniennes ;

A partir du crétacé supérieur (vers -80 Ma) mais surfout à I'Eocène inférieur et supérieur (-53 à -34 Ma) : collision continentale Europe-Afrique. En Provence occidentale, c'est la tectogénèse pyrénéo-provençale.

fendant le Paléocène et Eocène (entre -65 et -35 Ma), la formation de la chaîne pyrénéenne sous l'action d'une compression N-S s'accompagne de plis, de failles inverses et de chevauchements de direction sensiblement E-W, landis que les anciennes failles NE-SW rejouent en décrochements. La couverture sédimentaire décollée au niveau du Trias est plissée et faillée. Les structures chevauchantes de I'Etoile, la Sainte Baume, l'Olympe-Aurélien, la Sainte Victoire, Eguilles et la Nerthe se sont mises en place à cette époque.

Eocène terminal - Oligocène inférieur (-35 à -30 Ma) : une phase de dislension intracontinentale affecte le pourtour de la Méditerranée (tandis que la compression est généralisée dans la chaîne alpine).

Oligocène supérieur - Miocène inférieur (-30 Ma à -16 Ma environ) : ouverture du bassin Ligure, accompagnée de la rotation du bloc corso-sarde de 25 à 30" vers l'Est. Les bassins apparus lors de l'Oligocène inférieur (bassins de Marseille, d'Aix, de Salon, de Manosque) continuent a fonctionner.

-

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BRGM/RP-53239.FR 13

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Etat des connaissances géologiques structurales et hydrogéologique du bassin d'Aix-Gardanne Définition d'un programme de mesures et d'investigations complémentaires

- Mio-Pliocène (-25 à -2 Ma) : la compression alpine qui affectait jusque-là uniquement les Alpes internes, migre vers les Alpes du Sud el la Provence (mise en place des arcs de Digne, de Castellane et de Nice). Certaines structures E-W (failles et plis) héritées de la tectonique pyrénéenne sont réactivées (Lubéron, Costes, Alpilles). Le sud de la Provence méridionale est beaucoup plus épargné par les déformations alpines si l'on excepte quelques réactivations de failles d'ampleur limitée (rejeu de la faille de la sainte Victoire, faille de la Trévaresse).

A l'ouest, dans la vallée du Rhône et la Camargue, le régime extensif apparu à l'Oligocène semble se poursuivre.

Fin du Pliocène - Quaternaire (depuis -2 Ma à aujourd'hui) : uniformisation du régime de contrainte compressif.

-

2.1.2. Les formations affleurantes du bassin de l'Arc

Dans cette unité synclinale se sont régulièrement accumulées sur un substratum jurassique ou crétacé inférieur, les formations mannes du Santonien (-87 Ma), puis les dépôts fluvio-lacustres du Campanien (-83 Ma), du Maastrichtien (-72 Ma) et de I'Eocène (-53 à 4 0 Ma). Dans la partie orientale du bassin, ces affleurements décrivent de larges auréoles concentriques autour du demi-dôme du Régaignas.

A l'Ouest du méridien d'Aix et jusqu'aux environs d'Eguilles, les assises éocènes e l crétacées disparaissent sous les épaisses formations discordantes de l'Oligocène moyen. Au-delà, dans la région de I'Etang de Berre, les terrains éocènes et crétacés réapparaissent et dessinent une gouttière synclinale d'axe sensiblement Est-Ouest.

Le retour de la mer au Miocène est attesté par la présence locale (secteurs de Martigues, Aix, Luynes) de dalles molassiques ou de surfaces d'abrasion marine.

Sur la bordure méridionale du bassin de l'Arc, on observe de part et d'autre du massif de Regagnas : à l'Est, le chevauchement de l'Olympe - Aurélien, à l'Ouest, les unités allochtones de I'Etoile et de la Nerthe. Au Nord, l'anticlinal chevauchant de la Sainte Victoire et ses brèches de piedmont affectent largement la bordure du bassin.

Le bassin de Gardanne est séparé du synclinal de I'Etang de Berre par un accident sub-méridien, la faille d'Aix.

1 4 BRGMiRP-53239.FR

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Elat des connaissances géologiques strudurales et hydrogéologique du bassin d'Aix-Gardanne Définition d'un programme de mesures et d'investigalions complémentaires

2.2. LE CONTEXTE HYDROGÉOLOGIQUE DU BASSIN

Les formations jurassiques et crétacées inférieures présentent une dominante calcaire. Les formations du Crétacé supérieur et du Tertiaire ont essentiellement une origine fluvio-lacustre. La lithologie dominanle es1 donc principalement marneuse et argileuse, mais comprend malgré tout des niveaux aquifères importants sous forme de lentilles gréseuses ou de petits bancs calcaires.

Le SDAGE' RMC a classé les formations du bassin d'Aix-Gardanne parmi "les aquifhres karstiques à forte valeur patrimoniale", en préconisant que l'opportunité d'utiliser ces aquifères pour la diversification de la ressource et la sécurisation de l'alimentation en eau potable soient étudiées.

Conformément au cahier des charges de ce projet, la limite de l'étude hydrogéologique correspond à l'ensemble Crétacé et Jurassique du Bassin d'Aix identifié dans le SDAGE RMC :

> le "Crétacé du bassin d'Aix" (système aquifère 165) est défini comme le "système aquifère du bassin d'Aix constitué d'une alternance de couches calcaires, argileuses ou marneuses d'âge crétacé et tertiaire formant un système multicouche".

Les séries productives en eau correspondent aux deux horizons du Fuvélien et Bégudien (épais en moyenne de 300 m chacun). Le Valdonien (70 m d'épaisseur) est la base imperméable de cet aquifère, le séparant de l'aquifère du Jurassique Supérieur. L'épaisseur de la zone saturée varie de 100 à 200 m et la réserve est évaluée lors de la synthèse des aquifères karstiques patrimoniaux du Bassin Rhône Méditerranée Corse se situe entre 75 et 150.106m3. Il s'agit d'une nappe peu profonde donc assez vulnérable surtout dans la partie méridionale et sollicitée à raison de 500 O00 m3/an pour l'agriculture et l'industrie. II n'existe pas d'exutoire naturel pour la nappe du Fuvélien, le drainage des eaux se fait majoritairement par la Galerie de la Mer.

P le "Jurassique du bassin d'Aix" (système aquifère no 224), est défini comme le "système aquifère constitué de formations calcaires d'àge jurassique moyen et supérieur". Il a été estimé lors de la synthèse des aquifères karstiques de Décembre 2001 comme le principal aquifère de la zone d'étude d'une épaisseur de l'ordre de 1000 m (épaisseur de la zone saturée : environ 300 à 400 m).

II s'agit d'un système captif de type fissuré et karstique s'étendant sur plus de 250 kmz qui renferme des ressources potentielles importantes et exploitables (réserve estimée de l'ordre de 200,1D6%&1nais d'accès difficile étant donné sa profondeur dans l'axe du bassin. Le traitement des profils géophysiques réalisés lors de la première phase, ou encore en cours de finalisation permettra de connaître davantage la géométrie de cette formation dont le toit varie de 650 m sous Gardanne à une profondeur supérieure à 1300 m au niveau des Pennes Mirabeau. II n'existe par

16

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Ela1 des connaissances géologiques slructurales el hydrogéologique du bassin d'Aix-Gardanne Définition d'un programme de mesures el d'investigations complémentaires

d'exutoire naturel connu a cet aquifère. Par contre, certains débits d'eau issus de travaux miniers sont attribués à des venues ou des contributions du Jurassique.

2.3. MÉTHODOLOGIES D'ÉTUDE DE L'HYDROGÉOLOGIE DES KARSTS PROFONDS SOUS COUVERTURE

Le bassin d'Aix-Gardanne présente donc la particularité d'être un karst* enfoui c'est à dire profond et sous couverture. L'accent sera mis ci-dessous sur les spécificités des recherches dans ce type de milieu.

Leur étude fait l'objet de peu de références dans la littérature scientifico-technique ; elle est souvent liée à la caractérisation de la circulation des eaux thermales (Bouchaala. 1991) ou à celle du développement de la karstification lors de l'interception d'objels endokarstiques' par des ouvrages routiers ou ferroviaires de type tunnel (Fourneaux, 1994 ; Fourneaux et Çommeria, 1990)~ S'il n'y a pas de développement méthodologique spécifique d'étude des karsts profonds, l'accent est mis en général sur la connaissance de la géométrie, avec notamment :

- la mise en œuvre de méthodes d'investigations directes telles que la prospection géophysique puis l'implantation et l'exécution de forage de reconnaissance etiou d'exploitation,

la mise en œuvre de méthodes indirectes plus ''légères'' telles que :

- l'outil hydrochimique afin de caractériser l'origine des eaux, les mélanges possibles, le temps de transit et la capacité de renouvellement du système,

- la datation des eaux pour déterminer leur origine et les temps de transit, - le suivi de la piézomètrie et de paramètres physico-chimiques sur certains

points d'eau, pour préciser le gradient hydraulique régional, la recharge du système et les relations entre aquifères.

L'étude des aquifères karstiques de manière générale est basée sur une approche globale, comprenant plusieurs phases'. Cette démarche a pour objectif de répondre à un certain nombre de queslions telles que : - le système aquifère ou l'aquifère possède-t-il un fonctionnement karstique ou plutôt

de type milieu fissuré ? - quelle est l'extension du système ?

- le système possède-t-il des réserves importantes au niveau de la zone noyée ?

- quel est le degré de perméabilité et comment se comporte la recharge de I'aquifère ?

- existe-t-il des conduits (( fossiles )) susceptibles d'être actifs en période de hautes eaux ou par effet de mises en charge ?

-

1 . . Les grands principes présidanl A l'élude des karsls sont résumes en Annexe 2 du présenl rapport

17

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Etat des wnnaissances géologiques structurales et hydrogéologique du bassin d'Aix-Gardanne Définition d'un programme de mesures et d'investigations complémentaires

- quel esi son exutoire naturel ?

- quel est l'impact de l'exploitation de cet aquifère sur les autres aquifères ou milieux ?

Cette démarche revient globalement à étudier le bilan de l'aquifères de façon plus ou moins déterministe en fonction des données disponibles et acquises en cours d'étude.

On peut la décomposer en quatre phases, à savoir :

1. une phase d'identification

2. une phase de caractérisation

3. une phase de démonstration - définition de la vulnérabilité

4. une phase dévaluation - aide à la décision.

1. La phase d'identification doit permettre d'identifier le type de système (fissuré, karstique, fonciionnel ou non), son extension et de mettre en évidence la présence de réserves.

Cette phase nécessite la mise en œuvre d'études géologiques (structurale, stratigraphie, fracturation. ..) et des études hydrogéologiques spécifiques au karst (analyses des hydrogrammes* et chimiogrammes', des débits classés*, des courbes de récession').

Concernant les karsts profonds SOUS couverture, l'étude géologique est importante pour déterminer la géométrie et l'extension des formations aquifères concernées. Le développement de la karstification doit également être considéré selon une approche régionale (variation du niveau de base en liaison avec les variations eustatiques* et les contraintes tectoniques) et une approche locale (analyse des logs de forages, position d'objets endokarstiques, vitesse d'avancement, objets exokarstiques'. ..).

Les sources, si elles sont présentes, sont, a priori, des sources de débordement ou de systèmes sus-jacents déconnectés des formations sous couverture. L'analyse des chroniques au niveau des sources ne constitue qu'une composante de la mise en évidence des ressources. D'autres méthodes doivent être utilisées à partir des données de forages (objets endokarstiques recoupés, variations piézométriques, variations des paramètres physico-chimiques en fonction des conditions météorologiques). L'analyse des tarissements* au niveau des variations piézométriques peut renseigner sur le type de vidange du système.

2. La phase de Caractérisation a pour but de définir les caractéristiques de la zone noyée à partir de l'étude des débits et de traçages naturels et artificiels. Dans le contexte de karsts profonds SOUS couverture, l'analyse des chroniques piézométriques à l'aide d'outil de traitement du signal et d'analyse des courbes de récession permet de différencier un comportement hydraulique de matrice d'un comportement hydraulique de conduits karstiques.

18 BRGM/RP-53239.FR

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Etat des connaissances géologiques slruciurales et hydrogéologique du bassin d'Aix-Gardanne Definition d'un programme de mesures et d'investigations complémentaires

- Les essais de traçage apportent des informations sur les connexions hydrauliques (précision sur la délimitation du bassin d'alimentation) mais aussi sur les modalités de transfert pouvant apporter des informations sur la nature du réseau de drainage et le degré de développement de la karstification. Ces essais doivent être mis en œuvre afin de vérifier des hypothèses de circulation des eaux souterraines, qui se dégagent de la première phase d'identification. Cependant, cette mise en œuvre peut être rendue difficile de par les conditions d'échantillonnage : un karst profond ne possédant pas d'exutoire unique accessible. Leur réalisation peut nécessiter des injections entre packers et une sélection judicieuse des points d'échantillonnage.

- L'analyse hydrogéochimique renseigne sur les conditions de recharge, le temps de transit entre zone non saturée et zone noyée, sur les mélanges d'eau et les relations entre différents aquifères au niveau d'un complexe aquifère multicouches.

3. La phase de démonstration consiste à définir le mode d'exploitation le mieux adapté.

Un ou des forages de reconnaissance peuvent être implantés en vue d'effectuer un essai de sollicitation de l'aquifère (pompage d'essai' sur ouvrages existants ou à réaliser). Dans le cas du bassin d'Aix-Gardanne, il est nécessaire de considérer l'impact de la remontée du niveau piézométrique dans les galeries de la mine, tant du point de vue quantitatif et qualitatif.

4. La phase d'évaluation consiste à appréhender le fonctionnement de l'ensemble en conditions d'exploitation.

Elle peut également se décliner avec une sous-phase de définition de la vulnérabilité. Celle-ci doit étre développée spécifiquement pour un karst profond : l'accent doit porter sur les relations entre aquifères, la recharge par pertes, le degré de karstification et la nature lithologique de l'aquifère notamment. La vulnérabilité prédéterminée, la protection de la qualité de la ressource consiste à privilégier des activités non polluantes tout particulièrement sur l'aire d'alimentation du système aquifère.

19

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Etat des wnnaissances géologiques structurales et hydrogeologique du bassin d'Aix-Gardanne Définition d'un programme de mesures et d'investigations complémentaires

Outils

Synthése géologique et hydrogéologique Constitution de base de données géoréférencées

~i~~ en place de la karstification

Etude complémentaire géologique (ERASO notamment) et géophysique Hydrochimie de l'existant Datation Essais de traçage artificiels Piézométrie Suivi de la remontée des eaux des Mines Hydrogramme des sources bordières, de la galerie à la mer Essai de pompage (puits et nappe) Forage de reconnaissance

Phases Résultats escomptés

Délimitation des aquifères, géométrie et structure des aquifères du bassin d'Aix Gardanne.

Potentiel de karstificatior (puissance, localisation).

Précision sur géométrie ;

Origine des eaux, recharge des aquiféres, relation entre aquifères.

hydrodynamiques. Fonctionnement des aquifères.

Potentialités exploitation (qualité, quantité)

dentification

:aractérisation

)émonstration

ivaluation

Phase étude Aix - Gardanne

Phase I

Phase II

Phase I

Phase II

Phase II

Phase Il

Méthode RlSKE (cartographie de la vulnérabilité) Aide à la décision pour

Chronogramme

2003-2004

2005

2005

2 O O 5 - 2 O O 6 2 O O 5 - 2 O O 6 2006

2005-2006 2005-2006

2005-2006

2005-2006

2006

2006-2007

lllusfration 3 : Tableau récapifulafif des différentes phases d'élude des karsts profonds sous couverture.

En grisé : phase ultérieure, hors champ de la convenfion

20

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Etat des connaissances géologiques slructurales et hydrogéologique du bassin d'Aix-Gardanne Définilion d'un programme de mesures el d'investigations complémentaires

3. Détermination de l'extension de l'aquifère

La phase de synthèse bibliographique des informations disponibles sur le bassin de l'Arc et d'enquête sur le terrain a fait apparaître un certain nombre d'indéterminations au niveau de la structure et de l'extension des réservoirs aquifères profonds restreignant d'autant une évaluation de la ressource en eau souterraine.

Différentes méthodes classiquement utilisées en hydrogéologie et plus spécialement en hydrogéologie karstique seront utilisées afin d'apporter des précisions sur la géométrie de l'aquifère. Elles permettent :

-

-

-

-

Les outils les mieux adaptes au système du bassin de l'Arc sont :

-

de confirmer les hypothèses concernant les zones d'alimentation,

de localiser les exutoires supposes,

de préciser ies conditions aux limites,

d'apprécier les niveaux aquifères et les communications entre bassins

l'outil hydrochimique pour caractériser l'origine des eaux et les mélanges possibles entre aquifères,

- des études géologiques spécifiques plus axées sur la fracturation (méthode ERASO) et sur la mise en place de la karstification permettant de mieux comprendre la "structure interne" du réservoir et d'approcher, en volume, les ressources potentielles en eau du bassin,

- des compléments d'interprétation des profils géophysiques sur le bassin.

3.1. CAMPAGNE HYDROCHIMIQUE

3.1.1. Généralités sur la méthodologie de l'outil "hydrochimie" L'hydrogéochimie, est définie comme étant a la connaissance des caractéristiques chimiques des eaux souterraines, des processus de leur acquisition et des lois qui régissent les échanges entre i'eau, le sol et le sous-sol ». (Castagny et Margat, 1977).

La réponse (( chimique )) d'un système karstique à une pluie constitue un moyen d'identification et de reconnaissance de l'organisation et du fonctionnement du système (Plagnes. 1997).

L'identification des signatures géochimiques des différents compartiments d'un système karstique est fondée sur l'interprétation des variations des signatures geochimiques, en fonction des conditions hydrologiques et sur un certain nombre d'hypothèses concernant la structure d'un aquifère karstique.

BRGMIRP-53239-FR 21

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Elal des connaissances géologiques structurales et hydrogéologique du bassin d'Aix-Gardanne Définition d'un programme de mesures et d'investigations complémenlaires

Les variations du chimisme aux exutoires apportent ainsi des informations sur la structure et sur le fonctionnement du système : - les traceurs caractérisant les diverses parties du système karstique (épikarst, zone

d'infiltration, zone noyée, drain principal, , ..) informent sur la structure de l'aquifère. Ces différents traceurs permettent de vérifier le rôle de la lithologie de l'encaissant ou d'estimer les contaminations du système. Dans le cas du bassin d'Aix- Gardanne, ils permettent Surtout d'évaluer /es communications latérales et verticales entre les différents réservoirs aquifères.

les traceurs qui caractérisent les écoulements (vitesse, conditions de circulations, mélanges d'eaux d'origine différente, ...) renseignent sur le fonctionnement du système karstique à proprement dit.

-

Deux campagnes spatiales, en période de Basse Eaux (BE) et Hautes Eaux (HE), sont nécessaires pour identifier au mieux le fonctionnement hydrodynamique de l'aquifère en fonction de sa recharge :

- En période d'étiage avancé, on suppose que l'écoulement à l'exutoire est uniquement assuré par la vidange des systèmes annexes aux drains karstiques (milieu fissuré ou grands vides mal connectés). Les teneurs en éléments chimiques des échantillons prélevés lors de cette période caractérisent la signature géochimique de l'eau qui circule au sein de la partie capacitive de la zone noyée du système karçtique.

En période de crue, les débits mesurés aux exutoires des systèmes karstiques peuvent être expliqués comme résultant de la superposition de différents écoulements distincts tels que par exemple :

1) un écoulement de base assuré par le drainage des systèmes annexes au drainage de la zone noyée,

2) un écoulement épikarstique assuré par le drainage plus ou moins rapide de l'eau du réservoir épikarstique. Dans le cas du bassin d'Aix Gardanne, cet écoulement se développe principalement au niveau des zones d'alimentation supposées du réservoir à savoir les massifs calcaires du Nord - Est de la zone d'étude (Bois de Pourrières), la Sainte Victoire, et éventuellement les massifs en bordure Sud du Bassin (Mont Aurélien et Massif de I'Etoile),

3) un écoulement u rapide M assuré par une partie de la pluie efficace collectée par les conduits plus ou moins verticaux directement connectés au réseau de conduits karstiques de la zone noyée (le réservoir épikarstique est ainsi court-circuité). Les moulières recensées sur le bassin minier de Gardanne lors de l'exploitation de la Houille peuvent remplir ce rôle vecteur de l'écoulement rapide.

-

3.1.2. Informations délivrées par les éléments majeurs testés. L'illustration, ci-après, rassemble l'origine et le type de renseignements apportés par les espèces majeures et traces présentes dans les eaux des systèmes karstiques.

22 BRGM/RP-53239.FR

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'raceur

Externe (en absence d'évaporites) Interne (en présence d'évaporites)

:I

la, K

Ir, B

jO4

4 0 3

302 H4Si04)

d'eau). - Exclusivement apporté par les précipitations en

absence d'activité anthropique et d'origine

Etat des connaissances géologiques structurales et hydrogéologique du bassin d'Aix-Gardanne Définition d'un programme de mesures et d'investigations complémentaires

E.?Cei?e_

Interne

Externe

Oriaine l ADDliCatiOnS - t w e s d'informations obtenues

interne.

(reconcentration par évapotranspiration). - Bon marqueur des horizons de surface

- Marqueur de contamination marine. - Peuvent provenir de I'altération des minéraux silicatés, d'échange de cations avec les minéraux argileux, de substances organiques. L'intensité des échanges cationiques peut etre évaluée avec 1'I.E.C. (indice d'échange cationique).

- Bons marqueurs des horizons de surface. - N'interagit pas avec le milieu et est à ce tilre

souvent considéré comme conservatif (permet I'identification et la quantification des mélanges d'eau).

- Exclusivement apporté par les précipitations en absence d'activité anthropique et d'origine interne. - Marqueur de conlamination marine.

- N'interagit pas avec le milieu et est A ce titre souvent considéré comme conservatif (permet l'identification et la quantification des mélanges

Interne (en présence d'évaporites) - Marqueur des interactions avec la matrice -

Externe : apport météorique (pluie) et anthropique (origine agricole). Intrusion marine.

Interne : dissolution pyrite Biologique (dégradation M.0) Lessivages gypse, formations

- Relativement abondant dans les eaux d'origine

- Bon marqueur des pollutions agricoles. - Marqueur de contamination marine.

karstique.

- Marqueur des interactions avec les matrices minérales, des processus biogénétiques.

Externe - Marqueur de pollution, permet d'obtenir des

informations sur les modalités d'infiltration dans les hydrosystemes karstiques.

- Peu soluble. . _ _ Interne - Marqueur des temps de séjour.

//lustralion 4 : Origine et nafure des informations apportées par /es principaux B/emenfs confenus dans /es eaux des systdmes karsfiques.

Pour plus de renseignements concernant les informations spécifiques à chaque espèce chimique, on se reportera à l'Annexe 3.

23

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Etat des connaissances géologiques structurales et hydrogéologique du bassin d'Aix-Gardanne Définition d'un programme de mesures et d'investigations complémentaires

L'lllusiration 5 résume le type d'information que l'on peut obtenir sur le système calco- carbonique, particulièrement pertinent dans le cas des aquifères karstiques, a partir des mesures de terrain et des teneurs en Ca", Mg'', HCO; et pC02des eaux

Paramètres + CO?, CMTD,

icû;. Ca2+, dg2+ et ISC Indice de iaturation vis à lise la calcite)

Origine

Interne

:aZ', Mg2+ I Externe

Applications -types d'informations obtenues

- Renseigne sur les conditions d'écoulement dans le systéme (en charge ou à surface libre) (lScalc>O, écoulement en zone d'infiltration).

- Indication sur la vitesse de circulation des eaux (lSca,c= solution sous-saturée : temps de séjour bref).

- Renseigne sur l'ouverture du système chimique (système carbonate) vis-à-vis d'une phase gazeuse (systéme fermé ou ouvert vis-à-vis de l'atmosphère).

- Le suivi des évolutions temporelles des teneurs (Ca, Mg, HC03) apporte des informations précieuses sur le fonctionnement hydrologique des aquifères karstiques.

- Concentration élevée : marqueur d'une contamination marine.

Illusiration 5 : Nature des informations obtenues sur le système calco-carbonique.

3.1.3. Apports des principaux résultats issus des analyses récupérées

Le recueil et la synthèse des informations géochimiques existantes sur les points d'eau du secteur d'étude a permis la constitution d'une base de données géochimiques présentée en détail dans le rapport de synthèse de la première année de travail (RP- 53238-FR).

La base de données constituée (363 analyses) est très hétérogène. Les paramètres physico-chimiques (conductivité, température, pH) ne sont pas systématiquement connus. II en va de même pour les éléments majeurs, mineurs et traces. Les éléments chimiques les mieux représentés sont les suivants : - Ca, Mg, Na+K, HC03. S04 et CI : nous disposons de 322 échantillons d'eau pour

lesquels ces paramètres sont tous connus.

- Sr, F, Fe, Si (quelques analyses)

- métaux lourds (Cu, Zn , . , quelques analyses)

dans la bibliographie pour le programme complémentaire

.

24 BRGMIRP-53239-FR

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.

.-

Etat des connaissances géologiques structurales et hydrogéologique du bassin d'Aix-Gardanne Définition d'un programme de mesures et d'invesligations complémentaires

L'examen de ces données permet de faire les constatations suivantes :

- l'analyse des éléments mineurs : les données sur les éléments traces sont rares ou alors peu fiables (seuils de détection insuffisants). II est donc impossible de procéder à une analyse statistique.

- l'analyse des éléments majeurs : compte tenu du nombre suffisant de données, une analyse statistique multivariables (ACP) a été menée, de façon à déterminer les Caractéristiques chimiques du - ou des - aquiféres de la zone d'étude.

L'analyse a porte sur les paramètres suivants : Ca, Mg, HC03, S04, Na+ K et CI. Les quatre premiers paramètres permettent d'expliquer la conductivité mesurée dans les eaux.

Quatre pôles ont pu être distingués grâce à I'ACP :

- Populafion 1 : fortement influencée par les gypses du Trias (eaux issues du Lambeau Charrié) ;

- Population 2 : eaux de faciès bicarbonaté calcique (issues du karst de I'Etoile ou de la Mure) ;

- Population 3 : eaux de faciès sodique et potassique (provenant des Louvas ou de la Roquette-Fuveau) ;

- Population 4 : eaux de faciès chloruré (issues du bassin minier) ou chloruré sodique-potassique (provenant notamment du Miocène).

Par ailleurs, la présence de Fluor, à des teneurs parfois très importantes (jusqu'à 9 mg/l) notamment dans les eaux du Lambeau charrié et du puits Gérard, suggère la participation d'eau issue du Jurassique profond.

L'hétérogénéité des données ne permet pas de pousser plus avant le raisonnement, mais l'approche hydrochimique parait un complément indispensable aux études hydrogéologiques. La notion de "traçage naturel," à partir de l'analyse chimique des eaux des aquifères et de sa variation tant dans le temps que dans l'espace, a démontré, depuis plusieurs dizaines d'années, sa pertinence pour l'étude des hydrosystèmes complexes et en particulier les aquifères karstiques. L'approche hydrogéochimique est particulièrement bien adaptée pour mettre en évidence les phénomènes de mélange et de participation de différents réservoirs évoluant au cours du cycle hydrologique.

3.1.4. Proposition de réseau de suivi hydrochimique

Deux campagnes de prélèvements sur quelques points représentatifs des différentes formations profondes du bassin d'Aix-Gardanne (Bégudien, Fuvélien, Valdonien, Jurassique et Trias) dans et en dehors du bassin sont envisagées afin d'identifier les faciès hydrochimiques' propres a chaque formation et de comprendre la dynamique des écoulements et éventuels mélanges entre les différents réservoirs. Une vingtaine de points fera l'objet de ces campagnes hydrochimiques. Ces points de prélèvements seront choisis parmi les ouvrages ou sources présélectionnés ci-après.

.

25

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Eiat des connaissances géologiques structurales et hydrogéologique du bassin d'Aix-Gardanne Définition d'un programme de mesures et d'investigations complémentaires

D'autre part, un certain nombre de points utilisés dans le cadre de différents suivis de la qualité des eaux souterraines sont disponibles pour une réutilisation et un enrichissement de la quantité des informations. II s'agit : - des analyses de la qualité des eaux réalisées dans le cadre du contrôle sanitaire

par la Direction Départementale des Affaires Sanitaires et Sociales (DDASS) sur certains ouvrages d'Alimentation en Eau Potable (AEP) ;

- de points suivis dans le cadre d'une procédure qualité sur le réseau de la banque nationale d'Accès aux Données sur les Eaux Souterraines (ADES') ;

- du puits de l'Arc qui fait l'objet d'analyses régulières (données pouvant être transmises par la Société du Canal de Provence - SCP).

3.1.4.1. Proposition d'ouvrages et sources pour la réalisation de prélèvements d'eau

Le tableau, ci-après, illustre une première sélection de points situés à l'intérieur de la limite hydrogéologique de l'étude, recensés lors de I'enquête de terrain ou bien déjà présents dans la Banque de Données du Sous-sol (BSS'), pour lesquels les niveaux aquifères captés, i'installation de captage et les conditions d'accès sont favorables à leur utilisation dans une campagne de prélèvements pour des analyses hydrochimiques. Les interprétations géologiques qui ont été menées lors de l'enquête de terrain (voir rapport BRGM RP-53031-FR) seront à vérifier lors de la réception du modèle numérique GDM'.

Ces différents points sélectionnés sont figures sur la carte de localisation des ouvrages et sources situés dans le bassin utilisable pour un suivi qualité en illustration 7.

26

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Etages Iéologiques Communes

Bégudien

Noms ~ 1 IndicesBSÇ 1 Commentaires

Fuvélien

'ourcieux

-rels

Valdonien

Ouvrages de I'enquëte 1022-5x-oo84

Ouvrages de I'enquëte 1021 -8X-O200 ou

Jurassique

w e a u

2ardanne iousset 'eynier iousset

;ardanne

Etat des wnnaissances géologiques structurales et hydrogéologique du bassin d'Aix-Gardanne Définition d'un programme de mesures et d'investigations complhentaires

1oz1-ox-uz57 ou 1021-6X-O260 OU

Ouvrages de i'enquète 1021-6X-O262 OU 1021-7X-O210 ou qn9~7u-n?1 4

Source Bastidt

~

Source Notre Dame 1021-5X-O045 Source Favary 1021-3X-O099

Puits de I'Arc 1021 -7X-0088 Ouvrage de I'enquëte 1021-7X-O214

données à récupérer risque de

Puits des Sauvaires contaminalion

! de la Grande 3

1 O21 -2X-O029

1 (mines)

'ourriéres rrets

'eypin

(mines) Ouvrage de I'enquëte 1021-4X-O171 (?) Ouvrage de l'enquête 1021 -8X-O205 Source des Gavôts ou de Vouly en bordure Sud du Bassin

En cours de codage

origine des données HBCM')

risque de

1 coniarnination ;ardanne I Puits Y I

Zardanne

-a Bouilladisse

'ourcieux

Pourrières

Puils 2 contamination

Ouvrage de I'enquëte aux 1021-7x-0213 Gisclans Moulin de Vitalis 1022-1 X-O086

(mines)

Après validation de I'interprétation

'ourcieux ,"IJUcIIIJ I I 1 Moulin de Vitalis 1 1022-1 X-O086 l 1 Après validation de

i'enquere aux O21 -7X-O213 1 1

lllustration 6 : Tableau récapitulafil des points utilisables pour des prélèvements lors de la campagne d'hydrochimie.

BRGMIRP-53239.FR 27

Pourrières

Ollières

Pourrières

Pourcieux

géologique Gour de la Tune 1021-4X-O009 Ouvrage de I'enquëte à 1021-,x~o,04 Campagne Sie Anne Ouvrage tt créer

1022-5X-O075 OU

1022-5X-O082 OU Ouvrage de I'enquëte 1022-5X-O084 OU

1022-5X-O086 OU 1022-5X-O087

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Etat des connaissances géologiques structurales et hydrogéologique du bassin d'Aix-Gardanne Définition d'un programme de mesures el d'investigations complémentaires

28

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Elal des connaissances géologiques structurales et hydrogéologique du bassin d'Aix-Gardanne Définilion d'un programme de mesures et d'investigations complémenlaires

30

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Eiat des connaissances géologiques Slncturales et nydrogeologiqLe ou 0ass.n d'Aix-Gardanne Définition d'un programme oe mesues et d' nvesligations complémenta.res

N" SISE-EAUX INDICE BSS NATURE NO INSEE COMMUNE LIEU-DIT Aquifère capte DPLOITANT

83000038 10221X0087 S 83089 Ollières Fontaine Fraiche Mairie 83000083 10222X0007 S 83125 Seillons source d'Argens Sources dArgens Mairie 83000463 10223X0038 F 83021 Bras Çt Aquile SVAG

........................................................................................................................................

......................................................................................................................................... ................................

83001205 10226X0050 Ç 83140 Tourves Source Mère des Fontaines Trias Mairie 83001206 10226X0048 S 83140 Tourves Source des Lecques Jurassique Mairie 83002254 10226X0091 F 83140 Tourves Forage Messies Peires Mairie 83001091 10226X0080 F 83110 Rougiers Le Vallon Jurassique Mairie 83001990 83110 Rougiers Source Font Frege Mairie 83001156 10225X0065 S 83087 Nans-les-pins L'Alaman ÇVAG 83001157 10451XOO65 F 83087 Nans-les-pins La Foux Jurassique ÇVAG 83001103 10218X0183 S 83120 St Zacharie Source de la Brise ÇVAG 83001.198 10221X0086 F 83096 Pourcieux Moulin de Vilalis Valdonien Mairie 83001263 10222X0006 Ç 83116 Çt Maximin la Ste Baume Source de Sceaux Mairie 13000636 10212XOO20 S Beaureceuil La Cascade PalBocène Mairie

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Ne BSS I Communes

Illustration 6 . Tableau récapitulafif des captages AEP sur les communes limitrophes au bassin d'Aix-Gardanne

D'autre part, sept ouvrages sont disponibles dans la base de données ADES et équipés de qualitomètreç (Illustration 9). Les données analytiques correspondantes peuvent compléter les analyses qui seront faites lors de la campagne de prélèvement.

Noms 1 Aquifères captés

1021-ex-0183 SI Zacharie Source de la Brise Jurassique

1 1021-8X-O121 1 Vauvenarwes 1 Source du Lavoir 1 Jurassique I 1 O21 -EX-O097 1 Rousset Source des Joucas

1 1021-2X-O020 1 St Antonin sur Bavon 1 Source de la Cascade 1 Paléocène I

Rognacien ?

1044-3X-O224

BRGMIRP-53239-FR

Auriol Source le Pujoi Quaternaire

31

1044-3X-O272 Roquevaire Puits n'2 ?

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Etal des connaissances géologiques structurales et hydrogeologique du bassin d'Aix-Gardanne Définilion d'un programme de mesures et d'investigations complémentaires

3. f.4.3. Proposition relative aux ouvrages à suivre en dehors de la limite bassin dans le cadre d'une campagne d'hydrochimie

Le tableau 10 présenté, ci-après, récapitule l'ensemble des points sélectionnés, selon les aquifères captés et les zones géographiques auxquelles ils appartiennent, pour des prélèvements en vue d'analyses hydrochimiques.

D'autre part, la galerie à la mer, ouvrage creusé au début du siècle, longue de plus de 14 km, recoupe les différentes formations géologiques depuis les écailles de charriage du massif de I'Etoile jusqu'au bassin de Marseille. Elle rencontre successivement : - le flanc méridional entre le bassin de Marseille et la Faille de la Mure ;

- la zone centrale dolomitique ;

- le synclinal pincé du Pilon du Roi et de Notre-Dame-des-Anges ;

- l'écaille aptienne de Simiane-Mimet ;

- l'écaille de Sousquières. Au temps de l'exploitation minière, cette galerie servait dexhaure aux eaux pompées dans les zones exploitées. Elle abrite également une station de pompage souterraine utilisée par la Société des Eaux de Marseille (SEM') - station capable de délivrer jusqu'à 300 O00 m3 d'eau filtrée par jour. Des analyses ont déjà été réalisées lors de précédentes études et reprises dans l'interprétation des données bibliographiques hydrochimiques.

Les essais de traçage réalisés en 1995 par le bureau d'études Géomidi ont fait apparaître des communications entre le plateau de la Mure et les niveaux profonds du Fuvélien/Jurassique des mines de Gardanne (voir rapport de Synthèse de l'étude BRGMIRP-53238-FR). II paraît donc très intéressant de pouvoir prélever les eaux (sur 5 points de prélévements répartis dans la galerie) arrivant dans la galerie et issues des massifs calcaires traversés afin de les analyser et de ComDrendre le fonctionnement hydrodynamique de cette bordure méridionale du bassin.

L'ensemble de ces ouvrages sélectionnés est présenté sur la carte de localisation des ouvrages et sources situés hors du bassin utilisable pour un suivi qualitatif (illustration 11).

Ainsi, l'ensemble des points répertoriés comporte: - 21 points dont les analyses peuvent être récupérées auprès de la DDASS ou du

réseau ADES 69 points répartis sur le bassin et dans la périphérie, ont été sélectionnés en fonction des niveaux aquifères atteints par les ouvrages. Ils intéressent globalement les niveaux stratigraphiques profonds supposés être les plus productifs.

Cette campagne, programmée pour débuter en période de Hautes Eaux en 2005 îontribuera à individualiser les pôles hydrochimiques propres à chaque réservoir aquifère, à identifier les zones de mélange et à orienter les traçages et datations Drévus en deuxième année d'étude.

.

32 BRGMIRP-53239-FR

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Etat des connaissances aéoloaiaues structurales e l hvdroaeoloaiaue du bassin d'Aix-C ~~ ~~ ,~ - " . ~

Defikion >un programme de mesures et d'investigations complén

Indice BSÇ Localisation Nalure Nom X (LIII) Y(LIII) Z Proi. Commune(s) Lithologie Stratigraphie Conditions d'émergences Débits Observations 1 1 L.I.L_ I

I 1 , "I.-".._ , 05 265 O

encodage 1 Nord 1 Source IRecuelle l 1 Jurassique IDraine le Jurassique du bois de Concors via le Crétace inférieur. encodage 1 Nord I Source (Peiugue 1 Jurassique IDraine le Jurassique du bois de Concors via le Créiacé inférieur.

Etat des connaissances géologiques structurales e l hydrogeologique du bassin d'Aix-C plén

iardanne ientaires

Illustration 10 : Tableau récapitulatif des points ESS hors des limites du bassin d'Aix-Gardanne,

BRGMIRP-53239.FR 33

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Elal des conna ssances geoiogiqLes slbcturales el hydrogéologique dJ oassin a'Aix-Gardanne Définition dJn programme de mesLreS el dinvesligaiions complémentaires

3.2.

3.2.1. Descriptif de la méthode

Le principe de la méthode proposée par Eraso (1985) est d'identifier les plans en distension qui permettent, selon son postulat, un écoulement. Elle nécessite de déterminer l'ellipsoïde des déformations de l'aquifère, à partir d'observations et de mesures effectuées sur le terrain prenant en compte la nature et l'orientation des fractures et des micro-fractures :

- les failles (sans prise en compte de la chronologie des jeux successifs des failles, en ne considérant que l'ellipsoïde des déformations et non des contraintes),

- les stylolithes (illustrations de compression perpendiculaire à la composante majeure de l'ellipsoïde des déformations),

- les veines (témoin d'une tectonique de distension, leur plan est orienté perpendiculairement à la composante mineure de l'ellipsoïde de déformation).

ETUDE DE LA FRACTUFUTION (MÉTHODE ERASO)

La méthode consiste ainsi à identifier des sites au niveau de la région d'étude (essentiellement sur le pourtour du bassin d'Aix-Gardanne) concernant l'aquifère carbonaté susceptible d'être karstique, sur lequel des mesures peuvent être effectuées afin d'avoir un échantillon de données le plus représentatif possible. Les données sont ensuite traitées pour le calcul de l'ellipsoïde des déformations. Les résultats sont présentés selon deux modes de représentations :

l'histogramme des plans de drainage qui permet de mettre en évidence ou non les directions préférentielles de drainage (Illustration 12) ;

l//ustration 12 : Exemple d'histogramme des directions des plans de drainage

BRGM/RP-53239.FR 35

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Etat des connaissances géologiques structurales et hydrogéologique du bassin d'Aix-Gardanne Définition d'un programme de mesures et d'investigalions complémentaires

- géologique : origine et signification des paléokarsts

- hydrogéologique : relations entre écoulements et structure géologique, fonctionnement des aquifères karstiques,

Le potentiel de karstification est défini par une différence de potentiel hydraulique indispensable entre la zone d'alimentation de l'aquifère ou du système karstique (gradient hydraulique important) et le point d'émergence, correspondant au niveau de base des écoulements souterrains, et par l'existence d'un flux de solvant de la roche encaissante (eau et présence de CO2) (Mangin, 1984).

Le système karstique est l'unité hydrogéologique de base à laquelle un potentiel de karstification s'applique pour créer un réseau karstique, c'est-à-dire un réseau de conduits en milieux non saturé et saturé en eau permettant l'évacuation rapide d'eau souterraine stockée dans des cavités ou dans des parties poreuses ou fissurées connectées aux conduits avec de fortes pertes de charge hydraulique. Une variation de la position du niveau de base du karst conduit à l'arrêt du fonctionnement du réseau karstique. Si le karst est noyé par remontée du niveau de base, l'aquifère karstique devienl non fonctionnel : l'aquifère possède une structure karstique (réseau et vides karstiques) qui n'est plus soumise aux écoulements rapides organisés vers un exutoire unique, mais crée une capacité de stockage pouvant être considérable.

Une méthodologie de caractérisation de la mise en place et du développernent de la karstification et de son impact sur les aquifères a été développée dans le cadre du projet de recherche du BRGM (04PDREAUOl KARSTEAU - projet Corbières). Cette méthodologie d'étude, basée sur la stratigraphie séquentielle, consiste à replacer le karst dans un cadre de géodynamique de bassin : il s'agit d'une démarche fondée sur les relations entre la géodynamique régionale et le karst (Aunay 8 Le Strat.-2aa2) Cette méthodologie comprend deux phases d'étude qui peuvent être menées en parallèle :

- l'étude de la géodynamique régionale : eustatisme. définition des périodes favorables et défavorables au développement de la karstification. enregistrement sédimentaire du karst ;

- l'analyse des objets karstiques et de la géomorphologie (formes d'aplanissement ou paléosurfaces).

La mise en œuvre de cette méthodologie consiste à extraire les informations nécessaires dans les références bibliographiques, à analyser les documents disponibles au niveau des logs de forage pour l'exploitation minière (vitesse d'avancement, chute d'outils.. .), à traiter le modèle numérique de terrain pour identifier dans un premier temps des surfaces susceptibles d'être des paléosurfaces et enfin à procéder à des reconnaissances et vérifications sur le terrain.

3.4. COMPLÉMENTS DE GÉOPHYSIQUE

Du fait de la faible densité de forages profonds et bien renseignés, la cartographie des différents interfaces utiles à la modélisation géophysique nécessite l'utilisation des

~~

BRGM/RP-53233.FR 37

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Eiat des mnnaissances géologiques structurales el hydrogéologique du bassin d'Aix-Gardanne Définition d'un programme de mesures el d'investigations complémentaires

profils sismiques. La sismique réflexion fournit en effet une image en continu (distance entre points de mesure comprise entre 30 et 100 mètres) qui permet d'interpoler entre les points de calage que sont les forages.

Les niveaux cartographiés furent les suivants :

- Base du Quaternaire

- Toit du Crétacé supérieur (Rognacien) 3 limite Crétacémerliaire

- Toit du Fuvélien i réservoir Bégudien

- GrandeMine + calage géophysique

- Toit du Valdonien 3 réservoir Fuvélien

- Mur Crétacé supérieur i réservoir Crétacé supérieur

- Toi1 du Jurassique 3 réservoir Crétacé inférieur - Mur du Malm ou toit du Dogger ou toit des Marnes du Jurassique Moyen

On dispose sur le bassin d'Aix des campagnes sismiques suivantes :

1- Campaqne réalisée en 1978 à l'aide de camions vibrateurs par la CGG pour le compte des houillères HBCM : 6 profils (78G1 à 78G6 pour un total de 80 km), localisés dans le bassin minier de Gardanne. Les profils ont été exploités sous leur forme papier et vectorisés ;

2- Campaane shallow water (explosin réalisée en 1966 par la CGG pour le compte de CFP sur I'étana de Berre : 12 profils (BI A B I 2 totalisant 111 km). Exploitables (mais pas exploités) à partir des documents papier non vectorisables ;

3- Campagne explosif réalisée en 1964 par la CGG pour le compte de CEP sur le permis Provence : 3 profils (REI, RE2 et RE2B) dans le secteur défini comme celui de l'étude hydrogéologique. Les profils existent sous forme analogique, pourront être numérisés et retraités et réinterprétés.

4- Campagne terrestre explosif enreqistrée en 1965 sur le permis Berre par la CGG pour le compte de CFPM : 14 profils (AI à A14 totalisant 155 km). Les profils sont enregistrés sur support analogique de qualité très médiocres, mais pourront être exploités sous leur forme papier et interprétée (cartes des isochrones) ;

5- Campaqne terrestre camion vibrateur enreqistrée en 1986 sur le permis Crau par la CGG pour le compte de Total : 9 profils (86CR2 à 86CR10). Le profil 86CR7 est en cours de retraitement et sera disponible d'ici la in de l'année ;

6- Campaqne terrestre camion vibrateur enreqistrée en 1982 par la CGG pour I'IFP : lignes régionales, dont le profil 82SE4D, reconnaissant l'ensemble du bassin du Sud Est sur un total de 2000 km. Le profil 81SE4D a été retraité et est en cours d'interprétation.

38

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Etal des connaissances géologiques structurales el hydrogeologique du bassin d'Aix-Gardanne Définition d'un programme de mesures el d'invesligations complémentaires

4. Hydrodynamisme et fonctionnement de l'aquifère

Si la structure et la géométrie des réservoirs aquifères profonds du bassin d'Aix-Gardanne sont mieux connus, il reste à en caractériser le fonctionnement hydrodynamique afin de dresser un premier bilan et d'estimer le potentiel exploitable de l'aquifère.

II est notamment nécessaire d'appréhender :

- le renouvellemenl de la ressource,

- I'hydrodynamisme du système : sens d'écoulement des eaux, gradient hydraulique local, vitesse d'écoulement ... .

- les connexions hydrauliques et communications entre réservoirs.

Afin d'approcher ce fonctionnement d'ensemble du bassin, divers moyens peuvent être mis en œuvre : - l'étude par traitement du signal de la galerie de la Mer et de quelques exutoires (sources

de trop plein), - le suivi de la remontée des eaux des mines de Gardanne

- une campagne piézométrique avec : 1

=

- des traçages ciblés sur les zones aux limites où subsistent des incertitudes,

- des datations isotoDiaues.

piézométrie selon un axe E-W pour déterminer un gradient d'écoulement dans le bassin,

piézométrie multi-niveaux pour appréhender les communications entre réservoirs,

4.1. ETUDE DES EXUTOIRES CONNUS

4.1 .l. Grands principes de l'analyse corrélatoire et spectrale - Modélisation inverse

Les analyses corrélatoires et spectrales s'inscrivent dans le cadre de l'approche dite fonctionnelle de l'étude des systèmes karstiques et se basent sur les techniques de l'analyse statistiques des séries chronologiques.

Le principe de base de ces méthodes est d'assimiler le système karstique à un filtre qui laisse plus ou moins passer l'information contenue dans un signal d'entrée. Dans cette approche, l'aquifère est assimilé à une a boîte noire )) dont la pluie et le débit à l'exutoire représentent respectivement l'entrée et la sortie^ La méthode consiste donc à analyser et comparer les signaux d'entrée (précipitation) et de sortie (débit). Les chroniques des signaux d'entrée et de sortie peuvent être traités séparément dans le domaine temporel (analyse corrélatoire simple), ou dans le domaine fréquentiel (analyse spectrale simple) ou bien l'un par rapport à l'autre (analyse corrélatoire et spectrale croisée).

BRGMIRP-53239.FR 41

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Etal des connaissances géologiques slruciurales el hydrogéologique du bassin d'Aix-Gardanne Définition d'un programme de mesures et d'investigations complémentaires

La modélisation inverse fait appel à des techniques numériques complexes s'appuyant sur différentes méthodes de régularisation. Ce type de modélisation est effectué à l'aide du logiciel TEMPO, développé par le BRGM, logiciel de traitement et de modélisation de séries temporelles en hydrogéologies et hydrogéochimies. Ce logiciel est également utilisé pour procéder aux analyses corrélatoires et spectrales, simples ou croisées.

Pour plus d'informations, ces méthodes sont détaillées en Annexe 4

4.1.2. Choix des points d'application de ces méthodes de traitement du signal

L'analyse corrélatoire et spectrale et la modélisation inverse sont autant d'outils de traitement du signal puissants permettant la décomposition d'hydrogrammes, la mise en évidence de différentes contributions en couplant l'analyse des chroniques hydrologiques et de paramètres physico-chimiques tels que la conductivité, la température et la présence d'éléments chimiques singuliers (Ca et Mg par ex) selon la nature des réservoirs.

Cependant, dans le cas du bassin d'Aix-Gardanne, les exutoires des réservoirs aquifères ne sont que supposés. L'implantation des points pour mettre en œuvre ces méthodes sera donc limitée aux sources de débordement du système ou de systémes indépendants (massifs frontaliers comme la Sainte Victoire par exemple).

L'interprétation de telles chroniques de sources devrait permettre de mettre en évidence des variations de comportement du système pour différents ordre de grandeur de débits, d'identifier la contribution de pertes, un fonctionnement de type "trop-plein" ou des fuites du système.

Le choix s'est donc porté sur : - le Gour de la Tune, source temporaire situé au Nord de Pourrières dans Fuvélien qui est

susceptible d'être une source de débordement des aquifères profonds ; - les sources de Sceaux et de Meyronne, qui drainent le massif calcaire de Pourrières

prolongeant vers l'Est et le Sud-Est la Sainte Victoire (la source de I'Argens étant déjà suivie dans le cadre du réseau hydrologique de la DIREN) ;

- la galerie à la mer, qui draine le réservoir Fuvélien des anciennes mines de Gardanne et les massifs d'âge Crétacé de I'Etoile ;

- éventuellement, les sources de Petite Foux et Fouen Sicard situées dans la haute vallée de l'Huveaune et amont de Saint Zacharie, qui drainent en partie les massils de l'Olympe et le Mont Aurélien.

4.2.

La remontée des eaux dans les mines auparavant exploitées a été modélisée et est actuellement suivie sur quatre points équipés de capteurs par les HBCM au fur et à mesure de la remontée (actuellement seul le puits Y a commencé l'enregistrement depuis Janvier 2004) :

SUIVI DE LA REMONTÉE DES EAUX DES MINES DE GARDANNE

- le puits Y (1021-5X-0187) atteignant le Valdonien,

42 BRGM/RP-53233.FR

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Etat des connaissances géologiques structurales et hydrogéologique du bassin d'Aix-Gardanne Définition d'un programme de mesures et d'investigations complémentaires

- le puits 2 (1021-5X-0186) atteignant le Fuvélien. La cote fond se situant 200 au-dessus du puits Y, les capteurs ne se son1 pas encore mis en marche,

- le puits Gérard (1021-5X-0107) atteignant le Fuvélien. La cote fond se situant 350 au- dessus du puits Y, les capteurs ne se sont pas encore mis en marche,

- le puits des Sauvaires atteignant le Fuvélien. La cote fond se situant 600 au-dessus du puits Y, les capteurs ne se sont pas encore mis en marche.

Par rapport à la modélisation qui a été faite, depuis l'arrêt des pompes de refoulement et le début du suivi, la vitesse de remplissage des travaux situés sous la cote +18 m NGF (niveau de la galerie de la mer restée ouverte) est beaucoup moins rapide que ce qui a été estimé (temps de remplissage moyen de 4 ans pour une durée de remplissage évaluée entre 2,3 et 5.5 années).

Le suivi de cette remontée, via les données transmises par les HBCM, est une source d'informations importantes qui doit permettre d'évaluer les caractéristiques hydrodynamiques de la partie de l'aquifère fuvélien concernée par l'ancienne exploitation minière.

4.3.

Parmi les scénarios envisagés, dans le cadre de la réhabilitation des mines, il est envisagé que les eaux issues des exploitations minières soient prochainement pompées à débit constant et acheminées en mer via une canalisation qui utilisera la voie de la galerie à la mer. Dans l'attente de cette installation les eaux remontant dans les anciennes exploitations s'écoulent de façon gravitaire dans la galerie (eaux issues actuellement du niveau appelé "petite mine").

Aussi, peut-on envisager d'équiper en amont et aval la galerie pour obtenir des informations sur : - le drainage des calcaires Crétacé de I'Etoile par une comparaison pluiesldébits en sortie

et entrée de la galerie moyennant l'aménagement d'un seuil au niveau de I'exhaure en mer ;

- un suivi du niveau piézométrique de la nappe du Fuvélien minier au niveau du puits Gérard par déconvolution du signal lorsque le pompage à débit constant sera mis en place par les HBCM.

DÉBITS DIFFÉRENTIELS DE LA GALERIE A LA MER

4.4. CAMPAGNES PIEZOMÉTRIQUES

Ces campagnes visenl plusieurs objectils :

- apprécier la ressource et les volumes d'eau dans les aquifères (porosité efficace, fracturation, karstification, volume géométrique des formations. .. .. .) en déterminant des paramètres hydrodynamiques à partir de l'influence des marées terrestres sur des points situes dans des aquifères artésiens,

BRGMIRP-53239-FR 43

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Etat des connaissances géologiques slructurales et hydrogéologique du bassin d'Aix-Gardanne Définition d'un programme de mesures et d'investigations complémentaires

- estimer les interactions entre le Crétacé et le Jurassique par le biais des interrelations entre les piézométres dits "doublons" traités par traitement du signal,

- déterminer un gradient régional à l'échelle du bassin pour comprendre les modalités d'écoulements en profondeur suivant l'axe du bassin structural,

- comprendre le "partage des eaux" en profondeur au niveau des frontières topographiques du bassin.

4.4.1. Méthodes d'interprétation

Deux outils d'interprétation pourront être utilisés :

- l'analyse des séries piézométriques, qui permettra :

. de spatialiser l'information et de mettre en évidence des relations entre aquifères,

. d'affiner les relations entre piézométres et aquifères (analyse par traitement statistique à

. de caractériser la recharge des systèmes aquifères (GARDENIA logiciel BRGM de

- les effets de marée et de pression barométrique qui peuvent être décelés dans le cas des variations piézométriques d'aquifères captifs.

l'aide de TEMPO (logiciel BRGM) ou MathLab)),

modélisation globale ).

Des détails sur ces méthodes sont présentés en Annexe 5.

4.4.2. Présentation du réseau de suivi envisagé

4.4.2.1. Données piézométriques disponibles

II existe sur le bassin ou dans sa proche périphérie, un certain nombre d'ouvrages qui ont fait ou font l'objet d'un suivi piézométrique et dont les chroniques sont disponibles (Illustration 16). II s'agit :

- du Puits de l'Arc (1021-7X-0088). Cet ouvrage creusé lors de l'exploitation minière atteint le Fuvélien~ Cependant les fortes arrivées d'eau qui y sont observées laissent penser à une alimentation par un aquifère de forte capacité par l'intermédiaire d'un réseau de failles et fissures. II a fait l'objet de différents suivis : . suivi conjoint du débit et du niveau piézométrique du puits ainsi que de la pluviométrie

de 1973 à 1978, . suivi pluviométrique et du niveau du puits entre 1994 et 1996, . suivi des niveaux du puits de l'Arc de 1970 à 1993, . actuellement le puits de l'Arc est suivi au niveau piézométrie et débits par la société du

- la Grande Bastide (1021-2X-0029). Cet ouvrage draine des eaux du réservoir bégudien. Le niveau piézométrique est suivi mensuellement dans le cadre du réseau régional de suivi (ADES) depuis 1995 ;

Canal de Provence (SCP) qui devrait poursuivre son suivi ;

44

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Etat des connaissances géologiques struclurales el hydrogéologique du bassin d'Aix-Gardanne Définition d'un programme de mesures et d'invesligations complémeniaires

- un piézomètre situé a Meyrargues, Le Logis neuf (0995-2X-0082). Atteignant le Jurassique, le niveau piézométrique de cet ouvrage est suivi depuis 1986 dans le cadre du réseau régional de suivi (ADES).

4.4.2.2. Ouvrages existants à équiper en piézométrie

Différents ouvrages issus de l'enquête de terrain ou d'une recherche BSS pourraient être facilement équipés, après vérification de l'interprétation géologique qui en a été faite à l'aide du modèle numérique GDM : - la station piezométrique privée de Saint Jacques à Seillons sur Argens atteignant les

niveaux triasiques et qui est toujours en activité ; - pour suivre les interactions entre le Fuvélien et le Jurassique dans le bassin, il serait

intéressant de : corréler les données du puits de l'Arc en équipant un des ouvrages de l'enquête situé à Peynier et captant dans le Fuvélien (1021-7X-O214),

. corréler les données des puits miniers et de la Grande Bastide en équipant un des deux ouvrages de l'enquête situés près de Fuveau et allant jusqu'au Bégudien (1021-6X-O260

. enfin, pour se dégager de l'impact de l'exploitation minière, un des ouvrages de l'enquête captant dans le Bégudien au niveau de Pourrières (1021-4X-O166 ou 1021-4X- 0170 ou 1021-4X-0172) ou Pourcieux (1022-5X-0084) devrait être équipé.

OU 1021-6X-0257),

4.4.2.3. Piézomètres à créer

Afin de suivre les interactions entre Fuvélien et Bégudien, 3 à 5 piézométres seraient a créer sur une profondeur moyenne de 60 m. - Un piézomètre allant jusqu'au Bégudien à proximité du Puits de l'Arc ;

- dans la zone Nord-Est (Pourriéres, Pourcieux) où les niveaux çtratigraphiques sont présents à moindre profondeur, un piézomètre atteignant le Fuvélien ou Jurassique a proximité d'un des piézometres allant jusqu'au Bégudien recensés lors de l'enquête :

D'autre part, pour établir un gradient régional à l'échelle du bassin, selon une ligne suivant l'axe du bassin, les ouvrages suivant peuvent être utilisés : - le forage recensé lors de l'enquête et descendant jusqu'au Jurassique près d'ollières

(1 021-1X-0104),

le forage de Piegros (1022-2X-0021),

- le puits de l'Arc (1021-7X-0088),

- les ouvrages des Pradeaux etlou de Saragousse à l'Est de l'étang de Berre

Enfin, pour mieux appréhender le "partage des eaux" en profondeur sous le mont Aurélien et vers la limite Sud-Ouest du Bassin, un ouvrage vers Rougiers (le forage de Bramoine déjà proposé pour le réseau hydrochimie (1022-5X-0032) ou encore l'ouvrage de la Tuillière (1022-5X-0051) pourrait être utilisé.

BRGM/RP-53239.FR 45

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Etat des connaissances géologiques structurales et hydrogeologique du bassin d'Aix-Gardanne Définition d'un programme de mesures et d'investigalions complémeniaires

48 BRGMiRP-53239-FR

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Eiai des connaissances géologiques slruciurales et hydrogeologique du bassin d'Aix-Gardanne Définition d'un programme de mesures el d'investigaiions complémenlaires

4.5. TRAÇAGES

4.5.1. Principe des essais de traçage

Un test ou essai de traçage consiste a observer l'évolution spatiale et temporelle d'une entité (le traceur) au sein d'un aquifère. Ce traceur peut être naturellement présent dans I'eau de la nappe ou artificiellement introduil dans le milieu. Dans le meilleur des cas, son évolution peut être observée au cours du temps en plusieurs endroits à l'aide de puits d'observations ou de résurgences naturelles (sources). Dans tous les cas la finalité d'un traçage est l'identification de la direction d'écoulement, de la vitesse moyenne de pore (fournissant la porosité cinématique de laquelle on peut déduire la vitesse d'écoulement) et de la variabilité autour de cet écoulement moyen (caractérisant la dispersion).

Dans le cas des aquifères karstiques comme le Bassin d'Aix-Gardanne, I'application de cette méthode est délicate et les résultats souvent aléatoires ; l'écoulement et le transport des solutés sont en effet complexes et font intervenir une composante liée à la présence de pores de la matrice rocheuse mais également une composante assujettie au réseau de fractures et de galeries qui constituent le karst. Le transport des solutés s'effectue dans ces deux porosités juxtaposées et interconnectées.

C'est pourquoi les traçages interviendront en deuxième phase d'étude. pour confirmer les hypothèses qui auront été construites à partir des résultats des deux campagnes hydrochimiques en terme de direction d'écoulement et pour éventuellement apporter des indications quant aux vitesses d'écoulement.

Les paramètres recherches seront :

-

-

-

-

le temps de première apparition ,

le temps modal et la vitesse modale (ie au pic de la courbe de reslilution) ;

le taux de restitution (masse récupéréehasse injectée) si accessible ;

le volume d'eau tracé (volume d'Allen), calculable seulement si le régime est resté permanent pendant la restitution.

4.5.2. Traceurs choisis pour l'étude et méthode de mesures préconisée

Selon les objectifs du traçage et les contraintes liées a la mise en œuvre de l'essai, différents types de traceurs peuvent être utilisés :

- colorants (comme les traceurs fluorescents) : - isotopes radioactifs ;

- isotopes stables ;

49

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Etat aes connaissances geo.ogiqLes strJctLrales el hydrogeolog que ou bass n s'Aix-Gardanne Definition d m programme de mesures el dmesl iga i ons complernenia res

____

Si un certain nombre de points d'injection peuvent d'ores et déjà être proposés, ils devront être validés en fonction des premiers résultats et de l'interprétation des campagnes d'hydrochimie et de piézométrie de 2004/2005.

Pour plus de détails, voir Annexe 6.

4.5.3. Pré-localisation des essais de traçage

Aussi, deux traçages pourraient être prévus : - un point d'injection au niveau du Mont Aurélien ;

- un point d'injection au niveau de I'Etoile / Plateau de la Mure pour confmer l'existence d'infiltration d'eau jusqu'au Fuvélien/Jurassique par le biais des failles qui affectent cette région.

4.6. DATATIONS

4.6.1. Informations fournies par l'outil isotopique

L'abondance relative d'un isotope' dépend de plusieurs facteurs parmi lesquels le lieu de précipitation de la pluie (altitude, latitude, distance de l'océan), le cycle d'évaporation / condensation, les échanges avec les minéraux., .

Certains isotopes sont fréquemment utilisés dans les études hydrogéologiques : il s'agit essentiellement de ''O. 'H, 3H et 13C~ Des datations isotopiques ont déjà été réalisées dans le bassin d'Aix à l'occasion de la thèse dAnnie Chalumeau. Les informations qu'elles ont apportées sont reprises dans le rapport de synthèse (BRGM/RP-53238-FR) et semblenl sufisantes pour ne pas entreprendre de nouvelles analyses de ce lype dans la partie Nord du Bassin.

Par contre, une ré-interprétation des résultats bruts pourraient être menée à la lumière des premières interprétations tirées du dépouillement des mesures et investigations complémentaires prévues dans le programme (hydrochimie, piézométrie et complément d'études, notamment en géologie structurale). -~

BRGMIRP-53239-FR 51

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Etat des connaissances géologiques structurales et hydrogéologique du bassin d'Aix-Gardanne Définition d'un programme de mesures el d'investigations complémentaires

Outil

Oxygène i8("0)

et Dentérium ('H)

Tritium (3H)

Carbone 13 ( ' k )

Activité Carbone 14 (A14C)

~

Applications

Nature et origine de l'eau

Température des réservoirs

Altitudes d'aire de recharge

Quantification de la recharge

Mise en évidence de mélange

Mise en évidence des phénomènes d'évaporation

Circuit hydrodynamique

Radiochronologie

lndicaieur de temps de lransit (3H>0.1 UT signifie un appoi post 1952 dans le système

Origine et Nature des composées carbonés

Mise en évidence de processus diagénétique

Datation des eaux jusqu'a 45 O00 a

Estimation des vitesses de circulation dans un aquifère

Illustration 19 : Informations obtenues par les outils isotopiques <f classiques .v.

Des approches un peu moins classi ues encore non réalisées sur la zone d'étude

informations complémentaires quant aux temps de contacts avec la matrice rocheuse.

Pour plus de détails concernant les méthodes de datations isotopiques, se reporter a l'Annexe 7.

4.6.1.1. Les isotopes radiogéniques du strontium (rapporta7Sr/*S0

Le strontium (Sr) est un élément chimique de type alcalino-terreux dont les propriétés physico-chimiques sont proches de celles du calcium. Cette similarité permet au Sr de se substituer au Ca dans les réseaux cristallins des minéraux carbonatés et donc d'être utilisé comme traceur' des circulations souterraines en domaine karstique.

Les teneurs moyennes en Sr rencontrées en milieu carbonaté sont de quelques pgll a quelques centaines de pgll. Les valeurs élevées de strontium témoignent d'une circulation des eaux dans des formations évaporitiques de type célestite (SrS04), minéral toujours associé au gypse. Une invasion marine peut aussi expliquer des fortes teneurs en stronlium.

telles que l'étude des rapports "Sr a 'Sr et "B/"B peuvent en outre apporter des

52

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Etal des connaissances géologiques struciurales et hydrogéologique du bassin d'Aix-Gardanne Définition d'un programme de mesures et d'invesiigations complémentaires

4.6.1.2. Les isotopes du borefrapport "E/'B)

Le bore est un élément léger et le contraste de masse entre le "B et 'OB est suffisamment significatif pour que les isotopes du bore soient soumis à de forts fractionnements isotopiques~ Cela entraîne des variations importantes de plus de 90 %O

de la compoçilion des eaux dans le milieu naturel. Ces contrastes font du bore un excellent traceur aussi bien des sources du bore (fortement lié à la salinité des eaux) que des processus naturels qui l'affectent (mise en évidence de mélange, fractionnement . . .)

L'utilisation couplée des isotopes du bore et du strontium apparaît très performante dès lors que l'on recherche à identifier et à caractériser l'origine de la salinité comme en témoigne la littérature scientifique (Kloppmann ef a/, 1999). L'association de ces isotopes aux informations apportées par les rapports isotopiques ( 3 4 ~ / 3 2 ~ ) et ( i 8 ~ / ' 6 ~ ) des sulfates dissous dans l'eau et des rapports isotopiques ('iB/'oB) permet de bien identifier l'origine des sources de salinité des eaux, notamment lorsque le milieu présente des niveaux argileux ou gypsifère (Fritz et Fontes, 1980).

4.6.2. Localisation des points de prélèvements pour datation isotopique

Les points de prélèvements qui seront utilisés pour les datations isotopiques seront ceux choisis également pour la campagne hydrochimique (chapitre 3.1). Ils intéresseront ainsi les niveaux aquifères les plus productifs et auront une bonne répartition spatiale sur l'ensemble du bassin d'Aix-Gardanne.

BRGMIRP-53239.FR 53

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Elat des connaissances géologiques slructurales el hydrogéologique du bassin d'Aix-Gardanne Dehilion d'un programme de mesures el d'investigalions complémentaires

lutils et methodes

Etude de quelques exutoires

Suivi de la remontée des eaux de Gardanne

4.7. SYNOPTIQUE DE LA PHASE DE DÉTERMINATION DE L'HYDRODYNAMISME DE L'AQUIFÈRE

L'Illustration 20 résume la démarche proposée

Objectifs A réaliser en priorité Options

de sources :

Sceaux et Me ronne Caractérisation du Recueil des dznnées

fonctionnement des piézométriques des HBCM aquifères

Analyses des chroniques sources

temporaires le Gour de 'a Tune, supplémentaire!

~ ~

Détermination de I'hydrodynamisme et du fonctionnement de l'aquifère

suivi des débits de la Galerie à la mer

Piézométrie Détermination des

paramètres hydrodynamiques

Phase

Aménagement et mise en place d'enregistreurs de débits en amont et aval

A piézomètres à créer I O ouvrages à équiper

c O

9 n .- c .- L

2 E O

9 O

Datation

- Temps de contacl Réalisation d'uni

deuxième campagne renouvellemenl de prélèvements sur 1 complémentaire

sur les mêmes communication points (HEIBE) entre aquifères

avec la matrice rocheuse i 25 points de

la ressource, campagne

:s a pal 1

l u SE e

Illustration 20 : Synoptique proposé pour la détermination de I'hydrodynarnisrne de l'aquifère.

54 BRGMIRP-53239-FR

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Etat des connaissances géologiques siruciurales et hydrogéologique du bassin d'Aix-Gardanne Définition d'un programme de mesures et d'investigations complémentaires

5. Gestion durable de la ressource

Les deux premiers volets du programme d'investigations visaient à mieux connaître et comprendre l'aquifère. L'objectif, à long terme, de cette étude étant la diversification de la ressource et la sécurisation de l'alimentation en eau potable de la région.

Seul une série de pompages d'essai permet de tester "grandeur nature" la productivité de la nappe, son comportement face a une mise en production et de fixer son débit d'exploitation optimal.

D'autre part, dans une optique de gestion durable de la ressource, il est important d'envisager dès a présent un moyen de quantifier les pressions qui seront appliquées sur l'aquifère. La vulnérabilité de la ressource peut être caractérisée selon la méthode multicritère RISKE, les sources de pollutions potentielles devront être recensées et cartographiées afin de recommander des mesures de protection en vue d'une exploitation.

5.1. PRODUCTIVITÉ DE L'AQUIFÈRE

5.1.1. Principe du pompage d'essai

Un pompage d'essai a pour objectif de fournir les données nécessaires aux calculs des paramètres hydrodynamiques de l'aquifère. Les expérimentations par pompage à débit constant sont exécutées par des essais de puits et des pompages d'essai longue durée. Elles consistent à mesurer l'accroissement des rabattements* du niveau piézométrique en relation avec le temps de pompage et la remontée de ce niveau après arrêt du pompage. Les interprétations sont effectuées par résolution graphique des expressions d'hydrodynamiques souterraines en régime transitoire.

L'objectif des pompage par paliers, ou "essai de puits", est d'évaluer les caractéristiques propres de l'ouvrage notamment les pertes de charges dues uniquement a l'ouvrage (pertes de charges quadratiques). Ils permettent de dimensionner le débit du pompage longue durée et de déterminer un débit d'exploitation optimal. Le programme d'essai classiquement admis consiste en la réalisation de paliers à débits croissants et de durée constante : chacun des paliers étant séparé par des 'arrêts de durée équivalent permettant la remontée du niveau piézométrique quasiment au niveau initial.

L'objectif d'un pompage longue durée ou "essai de nappe" est de déterminer la géométrie et les caractéristiques hydrodynamiques de la nappe (conductivité hydraulique, transmissivité et coefficient demmagasinement) et d'étudier qualitativement les caractéristiques particulières de la nappe comme les conditions aux limites, les hétérogénéités et la drainance. II permet de vérifier la stabilité hydrochimique de l'eau et de détecter l'existence de limites alimentées ou étanches. D'une durée minimale de 48 heures, le pompage d'essai donne une bonne vision du

BRGM/RP-53239.FR 55

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Etat des wnnaissances géologiques structurales et hydrogéologique du bassin d'Aix-Gardanne Définition d'un programme de mesures et d'investigations complémentaires

comportement hydrodynamique de la nappe et certifie ainsi la pérennité de la ressource.

5.1.2. Méthodes d'interprétation

Les méthodes classiques d'interprétation sont adaptées aux nappes de type milieu continu ou fissuré^ L'interprétation d'un pompage d'essai en milieu karstique, milieu hétérogène comprenant un systéme de drainage (conduits karstiques plus ou moins organisés et hiérarchisés) au sein de volumes de roche A faible perméabilité pouvant comprendre des vides de grande taille et une perméabilité de fissures, est complexe. Les solutions analytiques développées pour les milieux homogénes ou pour les milieux fracturés sont rarement valables et applicables pour déterminer les paramétres hydrodynamiques du milieu.

Des méthodes basées sur la détermination de la réponse indicielle du système en considérant la position du point de pompage par rapport au réseau de drain ou au volume peu perméable, fournissent des éléments d'informations sur la structure, le fonctionnement et les réserves du système. Ces méthodes d'approche fonctionnelle (détermination de fonctions de transfert - réponse indicielle) ont pour objectif de démontrer l'existence de réserves et d'évaluer la capacité des eaux du karst noyé A être mobilisées par pompage. Les caractéristiques de la réponse indicielle permettent d'apprécier la capacité du système à libérer ses réserves (rendement du pompage) ainsi que la stationnarité de la réponse (pérennité d'exploitation) en fonction de l'importance des réserves mobilisables.

Du fait des spécificités du milieu karstique, le protocole de pompage d'essai classiquement utilisé devra faire l'objet d'une adaptation (Le. essais par paliers de moyenne - longue durée, suivi de paramétres physico-chimiques, mise en évidence des limites (relation eaux de surface - eaux souterraines). Les méthodes d'interprétation sont encore en partie exploratoire : approche fonctionnelle et approche discrétisée (solutions analytiques) à développer ou tester selon le cas d'étude.

5.1.3. Informations fournies par les pompages d'essai

II semble prématuré de localiser les ouvrages qui seront utilisés pour les pompages d'essai : ceux-ci interviendront en deuxième année, après les différentes campagnes de mesures et d'études prévues.

Cependant, il est d'ores et déjà prévu que les piézométres créés sur le bassin seront utilisés pour ces essais et que l'ensemble des ouvrages à tester (une dizaine) se situera dans la partie sud-est du bassin où les couches géologiques abritant les réservoirs aquifères productifs sont moins profondes.

Ces essais seront réalisés sur 24 heures avec suivi en continu de la température et de la conductivité. Ils devraient permettre de dégager une transmissivité et un coefficient d'emmagasinement et donc productivité locale de la nappe pour un ouvrage donné.

56

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Etat des connaissances géologiques structurales et hydrogeologique du bassin d'Aix-Gardanne Définition d'un programme de mesures el d'invesiigations complemeniaires

5.2. PROTECTION DE LA RESSOURCE

5.2.1. Caractérisation de la vulnérabilité selon la méthode multicritères RISKE

La vulnérabilité intrinsèque d'un aquifère représente les caractéristiques géologiques et hydrogéologiques naturelles qui déterminent la sensibilité des eaux souterraines à la contamination par les activités humaines. Les aquifères karstiques, caractérisés par une hétérogénéité au niveau de l'organisation des écoulements souterrains ainsi que par une dualité de sa recharge (diffuse ou concentrée), sont classiquement considérés comme très vulnérables aux pollutions.

Cette vulnérabilité est à mettre en relation avec : - le faible rôle filtrant de la zone d'infiltration ;

- le faible effet de la dispersion e de la dilution au sein de l'aquifère ;

- des temps de séjour courts limitant les processus d'auto-épuration qui peuvent prendre place au sein de I'aquifère~

Au cours des dix dernières années, des méthodes de cartographie de la vulnérabilité des aquifères karstiques ont été développées afin de pouvoir disposer de documents cartographiques nécessaires à la gestion de l'aménagement du territoire et plus particulièrement à la délimitation des périmètres de protection des captages. La première méthode dédiée spécifiquement aux aquifères karstiques est la méthode EPIK (Doerfliger. 1996 ; Doeriliger et Zwahlen, 1997).

La méthode RISKE (acronyme qui reprend les initiales des 5 critères pris en compte,: Roche aquifère (Ri), Infiltration (IJ, Sol (sk), Karstification (Ki), Epikarst (El)) est une nouvelle méthode multicritère pour la cartographie de la vulnérabilité des aquifères en milieu karstique qui s'inspire de la méthode EPIK.

Chaque critère est divisé en 5 classes qui traduisent des degrés d'impact vis à vis d'une pollution. Un coefficient multiplicateur (facteur de pondération) est appliqué à chaque critère afin de traduire son importance relative par rapport aux autres. L'indice final de vulnérabilité est calculé (facteur de protection) selon la formule suivante, en chaque maille du sysième.:

F = uRi + plj + ysk + SKI + EEI

L'application de cette méthode au bassin d'Aix-Gardanne permettra de dresser une cartographie finale de la vulnérabilité qui sera utilisée pour les recommandations de protection de la ressource.

5.2.2. Recommandations pour la protection de la ressource

En ultime phase d'étude, la cartographie de la vulnérabilité pourra être appliquée aux zones de recharge des aquifères carbonatés du bassin d'Aix-Gardanne et croisée avec

BRGMIRP-53239-FR 57

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Etat des connaissances géologiques structurales et hydrogeologique du bassin d'Aix-Gardanne Définition d'un programme de mesures et d'investigations complémentaires

1 Phases

.- c 8 2 m O

-al

* c

-0

.- E c m =l m - .al >

une carte des risques (obtenue à l'aide de l'identification des aléas prenant en compte, notamment, un inventaire des activités polluantes). Ainsi, des recommandations quant à la protection et la gestion de la ressource pourront être énoncées.

Outils et méthodes Objectifs

Détermination de la

locale de l'aquifère Potentialité

Pompages d'essai productivité

-

Foragede d'exploitation reconnaissance (qualité,

quantité) Caractériser la

Méthode RISKE vulnérabilité de la ressource

Recornmandati

protection Evaluation des aléas on de

5.3. SYNOPTIQUE DE L'APPROCHE GESTION DURABLE DE LA RESSOURCE

Le résumé de la démarche proposée est porté en illustration 21

I Gestion durable de 1; l l

ressource Options A réaliser en

priorité 1 O essais de pompage de 24h sur des ouvrages recensés et les

Réalisation d'un forage de reconnaissance

Cartographie de la vulnérabilité

Identification des aléas et

cartographie des , ris ues

illustration 21 : Synoptique proposé pour /a détermination de /a gestion durable de /a ressource

58 BRGMIRP-53239-FR

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Etai des connaissances géologiques slruclurales et hydrogéologique du bassin d'Aix-Gardanne Définition d'un programme de mesures et d'investigalions complémeniaires

1 Méthode ERAS0 . Eiude de la karslilicaiion . Eiude complheniaire de géologie et géophysique

6. Synthèse du programme d'intervention

Rapport Synthétique de fin de phase (papier el numérique)

cartographiques

2005 . Données

L'Illustration 22 résume les différentes phases du programme de mesures et d'investigations complémentaires proposées pour les années 2004-2006, voire 2007.

II ne s'agit que d'une proposition ; les dates notamment sont données à titre indicatif. Chaque séquence dépend des résultats de la séquence précédente.

1 Hydrochimie isotopique . Campagne piézoméirique . . Elude de sources bordières Traçage(s)

Suivi de la remontée des eaux Suivi des débits de la Galerie de la mer

Phases

1 Rapport synthétique de fin de phase (papier et numérique) 2005-2006

= Données originales numérisées

IDENTIFICATION

CARACTERISATION

DEMONSTRATION

EVALUATION

Outils - Méthodes 1 Délivrables 1 i n t ~ ~ ~ ~ i o n

~~

originales numérisées 1 1 Campagne hydrochimique I l

1. Rapporl synthétique 1 de lin de phase (papier et numérique) 2005-2006 . Pompages d'essai . Forage@) de reconnaissance . Données

numérisées Rapport synthétique de fin de phase

Recommandations pour proleciion de la ressource Données originales

numérisées

Illustration 22 : Proposition de chronogramme d'intewenlion sur la suite de l'étude

BRGMIRP-53239.FR 59

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Etat des connaissances géologiques structurales e l hydrogéologique du bassin d'Aix-Gardanne Définition d'un programme de mesures et d'investigalions complémentaires

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Etat des connaissances géologiques structurales et hydrogéologique du bassin d'Aix-Gardanne Définition d'un programme de mesures et d'investigations complémentaires

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BRGMiRP-53239.FR 61

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Etal des connaissances géologiques slrudurales et hydrogéologique du bassin d'Aix-Gardanne Définition d'un programme de mesures el d'investigations complémentaires

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Eiat des ulnnaissances géologiques structurales e l hydrogéologique du bassin d'Aix-Gardanne Définition d'un programme de mesures el d'invesligaiions complémentaires

Annexes

Annexe 1 : Glossaire. ..................................................................................... 67

Annexe 2 : Structure et fonctionnement des karsts. Modalités de karstification ................................................................................. 71

Annexe 3 : Informations fournies par les principaux ions présents dans les eaux. .............................................................................. 73

Annexe 4 : Principes de l'analyse corrélatoire et spectrale. Principes de la modélisation inverse. ........................................ 77

Annexe 5 : Méthodes d'interprétation des variations ., , . piezometriques ............................................................................. 85

Annexe 6 : Interprétation des essais de traçage artificiels. ........................ 87

Annexe 7 : Méthodes de datation isotopique. .............................................. 91

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Etal des connaissances géologiques structurales el hydrogéologique du bassin d'Aix-Gardanne Définition d'un programme de mesures et d'investigations complémentaires

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Etat des connaissances géologiques slructurales et hydrogéologique du bassin d'Aix-Gardanne Définition d'un programme de mesures et d'investigations complémentaires

Annexe 1 : Glossaire.

ADES: banque nationale d'Accès aux Données sur les Eaux Souterraines qui rassemble sur un site lnternet public (http://ades.rnde,tm.fr) des données quantitatives et qualitatives relatives aux eaux souterraines. Cette banque est le fruit d'un travail collectif associant le ministère de I'Ecologie et du Développement, le ministère de la Santé, de la Famille et des Personnes Handicapées, les Agences de l'eau, les DIREN, et le groupement des DRIRE. Son développement informatique est confié au BRGM. (source : site lnternet ADES).

Aquifère : Formation géologique capable de stocker de l'eau et de la restituer en exploitation dans des conditions économiques au moins acceptables.

Aquifère karstique : aquifère dont les conditions et le comportement correspondent au karst : hétérogénéité, discontinuité (compartimentage du réservoir), prédominance de l'écoulement des eaux souterraines par chenaux et conduits de grande dimension (conduits karstiques) à fonction collectrice et ou distributrice, large prépondérance de l'écoulement souterrain dans l'écoulement total du domaine correspondant (source : Dictionnaire français d'hydrogéologie, G. Castany, J. Margat, éd. du BRGM, 1977).

BSS : La Banque de données du Sous-Sol contient des informations brutes à caractères administratif et géologique : propriétaire, localisation, objet, logs géologiques, documents scannés, équipement technique des forages. Le code minier (Titre Vlll du Code Minier français, Articles 131 à 136) rend obligatoire la déclaration des ouvrages dune profondeur supérieure à 10 m. Le BRGM est chargé, par ses ministères de tutelle, de gérer ces données et de les mettre à disposition d'un large public.

Débits classes (courbe) : Représentation graphique du nombre de fois qu'un certain débit est atteint ou dépassé pendant une période considérée, compte non tenu de l'ordre chronologique des observations.

Dolomie : Roche sédimentaire carbonatée contenant 50%, ou plus, de carbonate, dont la moitié au moins sous forme de dolomite (Ca, Mg) (CO&

Drainance : Dans les eaux souterraines, passage d'un flux d'eau à travers une formation semi-perméable à partir ou à destination d'un aquifère contigu supérieur ou inférieur.

Endokarstique : caractère des formes souterraines d'un karst.

Essai de pompage : Essai qui consiste à prélever dans un forage un débit constant connu, et à mesurer les niveaux piézométriques à des intervalles de temps fixés a l'avance, soi dans des tubes piézométriques situés à différentes distances du pompage, soit dans le forage lui-même. Le but est en général de déterminer la capacité de production du puits etlou de mesurer la transmissivite de la nappe.'

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Etat des connaissances géologiques structurales et hydrogéologique du bassin d'Aix-Gardanne Définition d'un programme de mesures el d'investigations cornplbmentaires

Eustatisme : variation du niveau marin absolu au cours du temps

Exokarstique : caractère des formes superficielles d'un karsi.

GDM : Geological Data Management, logiciel créé et développé par le BRGM, qui permet la modélisation géologique en 3D de bassins sédimentaires.

HBCM : Houillères du Bassin du Centre et du Midi

Hydrogramme : Graphique de variation des débits en fonction du temps. Souvent spécialisé : hydrogramme de crue, unitaire ... .

Hydrogramme unitaire : opérateur fonctionnel caractéristique de la réaction du bassin, ou d'une partie du bassin, obtenu empiriquement à partir d'hydrogrammes de ruissellement réellement observés.

Isotopes: éléments de même numéro atomique 2 qui présentent des propriétés identiques mais qui diffèrent les uns des autres par la masse atomique A.

Isotope stable : élément qui ne fait pas l'objet de désintégration nucléaire ;

Isotope radiogénique : élément issu de la désintégration radioactive d'un isotope père qui libère des particules énergétiques particulières (a, p-, y...). Voir annexes sur la datation isotopique.

Karst : plateau calcaire affecté par le modelé karstique' (source : Dictionnaire de Géologie).

Modelé karstique : type de relief affectant les pays calcaires, et principalement dû à la dissolution de leur roches par les eaux météoritiques chargées de gaz carbonique. On peut distinguer des formes de surface (lapiez, relief ruiniforme, doline, poljé, vallées sèches, avens) et des formes souterraines (pertes. résurgences, exurgences etc. ..) diagraphie (source : Dictionnaire de Géologie).

Moulières : zones appartenant a une couche de charbon et devenue stérile par suite de son contact avec un pariens (phénomènes d'oxydation au contact des crevasses aquifères).

Niveau piézométrique : niveau auquel peut monter l'eau d'une nappe souterraine dans un tube (piézomètre) qui y est enfoncé. Pour une nappe libre, ce niveau se confond avec celui de la surface libre de la nappe. Pour une nappe captive, le niveau piézométrique est plus élevé que la surface de la nappe qui est limitée vers le haut par une formation imperméable et est alors SOUS pression (source : Diclionnaire de Géologie).

Partens : fracture ouverte (quelques décimètres) et karstifiée, sans rejet (terme déterminé par Villot en 1883). Selon Jarlier (1925), il s'agit de cassures béantes et aquifères sans dénivellation des parties en regard.

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Elai des connaissances géologiques structurales el hydrogéologique du bassin d'Aix-Gardanne Définition d'un programme de mesures el d'invesligations complémentaires

Piézomètre : dispositif consistant en un tube enfoncé verticalement dans le sol par sondage et servant à mesurer la pression de l'eau, avec laquelle il est en relation à son extrémité inférieure.

Rabattement: Abaissement du niveau d'une nappe au droit d'un pompage d'exploitation ou d'un pompage expérimental effectué par exemple pour mesurer la transmissivité.

Ruissellement : Partie de l'écoulement qui parvient à l'exutoire sans avoir pénétré dans le sol. On utilise parfois ce terme avec le sens de volume ruisselé.

Sise-Eaux : La base de données SISE-EAUX de la Direction générale de la Santé répertorie les analyses de potabilité réalisées par la DDASS.

Tarissement : Décroissance du débit d'eau souterraine allant aux eaux de surface pendant des périodes sans alimentation, due à la diminution de la réserve d'eau souterraine et exprimée par la courbe de tarissement.

Courbe de tarissement : Courbe exprimant la décroissance de l'écoulement ou du débit, due au tarissement.

Courbe de tarissement d'une nappe : Courbe de variation du débit lors de la vidange d'une réserve aquifère.

Traceur : tout corps facile à déceler en dilution par une méthode d'analyse appropriée, que l'on injecte dans l'eau pour étudier son mouvement, sa durée de renouvellement .....

Transmissivité : Propriété d'un aquifère à assurer le transit de l'eau, qui s'exprime par le produit du coefficient de perméabilité par l'épaisseur de la nappe souterraine.

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Annexe 2 : Structure et fonctionnement des karsts. Modalités de karstification.

La dissolution des roches carbonatées par les eaux de surface ou les eaux souterraines est à l'origine des aquifères karstiques, sujet d'écoulements souterrains importants

Cette évolution est connue sous le nom de karstification. Elle a pour effet un agrandissement des vides, lié à la circulation des eaux souterraines agressives (chargées en CO2) qui érodent les carbonates selon des phénomènes physico- chimiques et conduit à une organisation croissante des systèmes de drainage

Au sens hydrogéologique, la karstification peut donc être définie comme I'évolution progressive des discontinuités, aboutissant à l'amélioration croissante des possibilités de drainage du système.

La hiérarchisation des écoulements karstiques se fait à l'image des réseaux hydrographiques de surface : concenlration des filets d'eau d'amont en aval vers un exutoire. Au point de vue de la structure, le système karstique se définit par une dimension supplémentaire, et obéit à une zonation verticale résultant de l'enfouissement des eaux.

On est donc amené à distinguer :

- une zone d'infiltration, au sein de laquelle l'eau transite de façon subverticale, en présence d'une phase gazeuse. La zone d'alimentation s'étend bien au delà de la structure topographique proprement dite d'où l'importance d'étudier les conditions aux limites du système hydrogéologique. Ces conditions aux limites de l'aquifères sont déterminées :

- par les limites d'affleurement des formations qui constitue le réservoir ou par une h i l e lopographique (limite de bassin versant) ;

- par une barrière étanche ou non déterminée par la tectonique (exemple : accident structural mettant au contact de l'aquifère des terrains imperméables) ou par un contact entre deux aquifères (flux positif ou négatif par rapport au réservoir étudié).

- une zone noyée ou saturée. C'est le réservoir aquifère qui constitue la zone d'exploitation par excellence.

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Elal des connaissances géologiques siructurales el hydrogéologique du bassin d'Aix-Gardanne Définition d'un programme de mesures et d'investigations complémentaires

Annexe 3 : Informations fournies par les principaux ions présents dans les eaux.

Les chlorures (Ci-)

La charge électrique négative des ions chlorures n'est pas propice aux phénomènes d'adsorption. Les ions chlorures sont généralement considérés conservatifs et peuvent, à ce titre, être utilisés pour caractériser les phénomènes de mélange d'eaux de qualité différentes. Les chlorures sont globalement peu présents dans les eaux d'origine karstique ; ils sont associés à la présence de minéraux évaporitiques (NaCI, KCI, MgCI, . , . .) qui requièrent d'importantes saturations avant précipitation. Les concentrations en chlorures inférieurs à 10 mg/l dans les eaux des milieux karstiques sont généralement expliquées par le processus d'évapotranspiration qui conduit à une augmentation des concentrations en chlorures des eaux de pluie. A l'exception de ce phénomène, les concentrations élevées (>IO mgll) dans les aquifères peuvent être attribuées :

0

Le sodium (Na')

Dans les milieux karstiques, étant donné les basses températures (<2OoC), les temps d'interaction rapides et les faibles pourcentages en minéraux silicates (feldspath, plagioclases) contenus dans les carbonates, la production de sodium par dissolution est un phénomène de faible importance. De manière similaire aux chlorures, le sodium est généralement peu présent dans les eaux d'origine karstique, il provient essentiellement d'apports météoriques ; il peut aussi être fourni par des échanges de cations avec les minéraux argileux présents dans la formation. A l'inverse des chlorures, les phénomènes d'évapotranspiration provoquent une diminution des teneurs en sodium, prélevé par les systèmes racinaires des plantes.

Le potassium (K+) Le potassium peut être apporté par les engrais, et est également présent dans les eaux des stations dépuration. II constitue donc un indicateur de pollution anthropique. Le potassium est généralement peu présent dans les eaux d'origine karstique (concentration voisine de 1 mg/l, voire inférieure). Les concentrations élevées en potassium dans les eaux peuvent être également attribuées à des intrusions d'eau marine.

Les bromures (Br-)

De manière similaire aux chlorures, les bromures présentent une charge électrique négative, ce qui n'est pas propice aux phénomènes d'adsorption. Les ions bromures sont donc conservatifs et sont globalement peu présents dans les eaux d'origine

à des apports d'eaux usées (pollution anthropique),

à des intrusions d'eau marine,

ou au'lessivage de formation évaporitique

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Etai des connaissances géologiques structurales et hydrogéologique du bassin d'Aix-Gardanne Définition d'un programme de mesures et d'investigations compkmentaires

karstique Les concentrations élevées en bromures dans les eaux peuvent être attribuées à des intrusions d'eau marine.

Le bore (B-)

Dans les milieux karstiques, les concentrations en bore sont généralement faibles (qq pgll). La présence de bore à des concentrations élevées dans les eaux karstiques peut être attribuée :

a des pollutions anthropiques (le bore est présent dans les agents de blanchiment des lessives),

à des intrusions d'eau marine,

ou au lessivage de formation évaporitique

O

Les sulfates ( ~ 0 4 2 . ) La source principale de sulfate dans le milieu naturel provient des minéraux évaporitiques de type gypse ou anhydrite. Ces minéraux sont communs dans les formations triasiques. Une source secondaire peut être recherchée à travers les formations argileuses. Une fois dans la phase liquide, le sulfate peut être Considéré, en première approche, comme un élément conservatif, au même titre que l'anion Cl-. Les concentrations élevées en sulfates dans les eaux peuvent être également attribuées à des intrusions d'eau marine.

Les nitrates (NO;) et l'ammonium (NH;)

Les concentrations en nitrates élevées dans les eaux souterraines sont essentiellement liées à des apports anthropiques (pollution d'origine agricole -utilisation d'engrais azotés pour la fertilisation des sols- effou apports d'eaux usées).

La silice (Sioz)

La silice provient essentiellement des minéraux silicatés (feldspath, plagioclases, argiles,...). La silice est peu soluble sous nos climats plut& froids et sa mise en solution se fait avec un temps de séjour élevé, ce qui constitue un traceur d'acquisition lente dans le réservoir. Dans les aquifères carbonatés, la rareté des minéraux silicatés fait que les conceniraiions en silice des eaux souterraines reçlent faibles (quelques mgll).

Les espèces du système calco-carbonique

Dans les milieux karstiques (non influencés par une intrusion marine), les teneurs en calcium, magnésium et bicarbonate des eaux sont quasi exclusivement liées au système carbonaté. Les interactions avec les autres minéraux sont en effet négligeables face aux dissolutions de minéraux carbonatés. De par la nature des pluies (généralement acides) et surtout du fait de la présence de CO2 d'origine biogénique dans les sols, l'eau entrant dans le système karstique possède un fort pouvoir de dissolution vis-à-vis des carbonates. C'est cette propriété qui conduit à la karçtification.

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Eiat des connaissances géologiques structurales et hydrogéologique du bassin d'Aix-Gardanne Définition d'un programme de mesures et d'investigations complémentaires

Dans les formations carbonatées où on est en présence de dolomies*. le système carbonaté est a même de fournir non seulement du calcium (Ca") et du bicarbonate (HCO;) mais également du magnésium (Mg"). Cependant les cinétiques de dissolution sont très différentes pour ces deux minéraux et l'acquisition du magnésium est un phénomène lent qui signe des temps d'interaction importants.

Cependant, des teneurs en calcium et magnésium très élevées peuvent également être attribuées a des intrusions d'eau marine.

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Etat des conna ssances geo ogiques structdra,es et nyarogeo ogiqLe du bassin a AwGardanne Deh l ion dLn programme ne mesJies et 0 invesiigalions complernentaires

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Elat des connaissances géologiques slructurales et hydrogéologique du bassin d'Aix-Gardanne Définition d'un programme de mesures et dinvesiigalions complémentaires

Annexe 4 : Principes de l'analyse corrélatoire et spectrale. Principes de la modélisation inverse.

Principe de l'analyse corrélatoire et spectrale

Les analyses corrélatoire et spectrale s'inscrivent dans le cadre de l'approche dite fonctionnelle de l'étude des systèmes karstiques et se basent sur les techniques de l'analyse statistiques des séries chronologiques (Jenkins and Watts, 1968 ; Box and Jenkins, 1976 ; Mangin 1981).

Le principe de base de ces méthodes est d'assimiler le système karstique à un filtre qui laisse plus ou moins passer l'information contenue dans un signal d'entrée (l'état du système ne dépend que des entrées les plus récent es)^ Dans cette approche, l'aquifère est assimilé à une (( boite noire )) dont la pluie et le débit à l'exutoire représente respectivement l'entrée et la sortie. La méthode consiste donc a analyser et comparer les signaux d'entrée (précipitation) et de sortie (débit). Les chroniques des signaux d'entrée et de sortie peuvent être traitées séparément dans le domaine temporel (analyse corrélatoire simple), ou dans le domaine fréquentiel (analyse spectrale simple) ou bien l'un par rapport à l'autre (analyses corrélatoire et spectrale croisée).

L'analyse corrélatoire simple qui traduit la dépendance dans le temps des évènements affectant la chronique, selon des intervalles de temps de plus en plus grand, permet de tester le caractère répétitif des séries temporelles et leurs éventuelles natures cycliques. Le degré de ressemblance d'une série avec la même série décalée dans le temps est déterminée à l'aide de la fonction d'autocorrélation définie comme la valeur de la corrélation linéaire entre les valeurs des deux séries. Sur les chroniques de débit, cette analyse permet de caractériser (c /'effet mémoire )) de l'aquifère qui traduit la dépendance dans le temps des valeurs de débit en présentant une décroissance plus ou moins rapide de la corrélation. En d'autre terme, (c /'effet mémoire x est directement lié à l'inertie du système ; (( l'effet mémoire )) étant d'autant plus grand que le filtrage introduit par le système est important. L'effet mémoire est définit comme le nombre de jour nécessaire pour que la fonction d'autocorrélation (rk) atteigne la valeur de 0.2 (Mangin 1981). Ce paramètre peut être utilisé pour décrire les réserves dynamiques (écoulables) de l'aquifère et pour classifier les aquifères karstiques (Mangin, 1982, 1984 ; Muet 1985 : Marsaud 1997 ; Grasso 1999)

L'analyse spectrale simple (densité spectrale de puissance DSP) permet d'identifier les différentes composantes de la variance totale en fonction de la fréquence. En d'autre terme, la densité spectrale de puissance permet de renseigner (1) sur la tendance du système à long terme, (2) aux phénomènes périodiques saisonniers et (3) aux phénomènes purement aléatoires assimilables au bruit de fond D'un point de vu

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Etat des connaissances géologiques strudurales el hydrogeologique du bassin d'Aix-Gardanne Définition d'un programme de mesures et d'investigations complémenlaires

mathématique, la densité spectrale de puissance est déterminée par la transformée de Fourrier du corrélogramme simple (Box and Jenkins, 1970).

A l'aide de la fonction de densité spectrale de puissance du débit, Mangin (1984) a définit deux paramètres qui permettent d'accéder au fonctionnement des systèmes karstiques :

- (( Le Temps de régulafion ». Ce paramètre renseigne sur la durée d'influence engendrée par une impulsion unitaire (pluie) sur le système et donne des informations sur l'organisation du transfert des impulsions (pluie). II est égal à l'ordonnée maximale de la DSP divisée par 2. Plus le temps de régulation est grand, plus le système possède un Comportement inertiel, plus le volume des réserves est important et moins le système est karstifié.

- <( La Fréquence de coupure (fc))). Elle correspond à la fréquence pour laquelle la densité de puissance devient négligeable. Au-delà de cette fréquence, le signal est nul ou assimilable au bruit de fond. Un système possédant un comportement inertiel filtra l'information à court terme uour, semaine), l'information portée par les pluies sera essentiellement transformée dans les basses fréquences (cycle annuel).

L'analyse croisée (corrélatoire et spectrale) permet l'étude de la relation Pluie-Débit et fournit une image approchée de la réponse impulsionnelle du système par le corrélogramme croisé. Celui ci est complété par quatre fonctions dans le domaine fréquentiel :

- La (( fonction d'amplitude )) fournit une décomposition de la covariance totale entre entrée )) et (( sortie )) en fonction de la fréquence et indique comment la fonction d'entrée est transformée par le système. Elle permet en outre d'affiner le choix de la fréquence de coupure, car la covariance doit être négligeable à partir de la fréquence de coupure déterminée sur la densité speclrale de puissance (DSP).

La (( fonction de phase )) permet d'estimer le déphasage ($) enlre les signaux d'entrée et de sortie. Selon Padilla et Pudido-Bosch (1995), le retard moyen sur la gamme des fréquences considérées (< fc) peut être estimé à partir de la pente de la droite de régression (A) à l'aide de la Formule :

-

d =(N380").

- La (( fonction de cohérence ». Elle renseigne sur la manière dont varie la corrélation entre les signaux d'entrée et de sortie du système en fonction de la fréquence. Cette fonction permet de caractériser la linéarité et la stationnarité des systèmes.

La linéarité est à mettre principalement en relation avec le drainage de l'aquifère. Si le système est bien drainé, les eaux sont rapidement évacuées vers l'exutoire, et à une forte pluie correspond une forte crue. La fonction de cohérence présente dans ce cas des valeurs importante (en moyenne 0.8 à 0.9). Pour un système mal drainé, les eaux de pluie

-

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Elal des connaissances géologiques structurales e l hydrogéologique du bassin d'Aix-Gardanne Définition d'un programme de mesures et d'investigations complémenlaires

infiltrée contribue d'avantage à la reconstitution des réserves, ce qui se traduit par de faible cohérence (environ 0.5).

- La stationnarité s'exprime sur la fonction de cohérence par des variations en fonction des fréquences. Mangin (1981) montre que la stationnarité s'exprime SOUS forme de seuils d'autan plus marqués que le système est bien drainé. En effet, dans le cas de système bien drainé la régulation est faible et la présence et l'importance des réserves au sein du système sont fortement conditionnées par la répartition dans le temps des précipitations, Si les précipitations sont réparties de façon homogène dans le temps, le système aquifère présentera toujours à peu près le méme volume de réserve et son état varie peu, tout comme sa réponse impulsionnelle. A l'inverse, si les pluies sont réparties de manière très hétérogène dans le temps, les phases de stockage et déstockage vont engendrer des variations de l'état du système et donc de sa réponse aux précipitations. La fonction de cohérence présentera alors de grande variation

La fonction de gain ». Elle renseigne sur la manière dont le signal d'entrée est amplifié ou atténué par le système. Selon Mangin (1981), la fonction de gain met en évidence le rôle joué par les réserves du système. D'un point de vue qualitatif, la recharge des réserves tend à provoquer une atténuation du signal d'entrée (pluie) pour les hautes fréquences au profit d'une amplification (gain > 1) pour les basses fréquences.

Principe de la modélisation inverse

La modélisation inverse fait appel à des techniques numériques complexes s'appuyant sur différentes méthodes de régularisation. Le problème inverse a généralement plusieurs solutions (parfois une infinité de solutions) et il convient, pour le résoudre, d'ajouter des informations pertinentes permettant de préciser la réalité physique des phénomènes, assurant ainsi i'unicité de la solution. Ce type de modélisation est effectué à l'aide du logiciel développé par le BRGM (Pinault. 2001). logiciel de traitement et de modélisation de séries temporelle en hydrogéologie et hydrogéochimie. Ce logiciel est également utilisé pour procéder aux analyses corrélatoires et spectrales, simples ou croisées.

D'une manière générale, la modélisation des écoulements consiste a calculer la réponse impulsionnelle lente r, et rapide r, associée aux différents types d'écoulement. Le transfert rapide peut être dû au ruissellement de surface ou a l'effet de chasse résultant du comportement de la zone non saturée. Le transfert lent met en jeu les différents processus d'infiltration, induisant un retard plus ou moins important entre la pluie et le débit (ou la variation d'un niveau piézométrique) observés en sortie: infiltration lente et rapide, ruissellement différé, ...

L'utilisation de deux réponses impulsionnelles est résolue a l'aide d'un processus itératif. L'équation du transport s'écrit:

S( t ) = Surfuce.(rr * P, + r, * 4 ) + u.t + b (débit)

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Elat des connaissances géologiques slrudurales el hydrogeologique du bassin d'Aix-Gardanne Définition d'un programme de mesures et d'investigalions complemeniaires

où * représente le produit de convolution discret (f * g ) ( k ) = f ( i ) . g ( k - i=iO,il

.i), t le

lemps, S( t ) la sortie de i'hydrosystème (débit, niveau piézométrique), le terme a.t + b la tendance, Surface la surface du bassin d'alimentation, P, et 4 les composanles de la pluie induisant le transfert rapide et lent, respectivement. Les réponses impulsionnelles r, et $. sont normalisées (aire unité) et sont donc sans dimension.

Le système peut être constitué de une ou deux connexions hydrauliques en entrée. La fonction de transfert linéaire comprend autant de composantes qu'il y a d'entrées.

Lorsque deux entrées sont fortement corrélées entre elles, leur séparation peut néanmoins être réalisée dans de bonnes conditions lorsque leur temps de régulation diffère de manière significative (leur temps de réponse après un épisode de pluie). I l y a alors lieu de choisir la réponse impulsionnelle linéaire la plus courte possible (modèle général) ou bien un modèle analytique.

La somme ef = P, + 4 représente la pluie efficace en

Pluie efficace et transfert non-linéaire

C'est la hauteur de pluie minimale permettant d'engendrer un débit à l'exutoire d'un bassin versant ou encore l'augmentation d'un niveau piézométrique. Le modèle inverse peut calculer la pluie efficace à partir dune séquence de pluie, moyennant la connaissance de I'ETP (ou de la température journalière).

Elle est calculée à partir d'un seuil n(t) représentant la réserve utile des sols de telle sorte que:

en = Pluie - n(t)

efl = O

si Pluie > n(t)

si Pluie I n(t)

Le seuil n(t) est lui-même calculé à partir de la pluie et de I'ETP (ou température journalière) passées de sorte que:

n(t) = rp * Pluie + rErp * ETP + Cste

Les réponses impulsionnelles rp et rETp sont représentées par des trapèzes (modèle

a 2 x 4 degrés de liberté et la constante Cste , soit 9 degrés de liberté):

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Elat des connaissances géologiques struclurales et hydrogéologique du bassin d'Aix-Gardanne Définition d'un programme de mesures et d'investigations complémentaires

de sorte que rETP > O et rp < O : I'ETP augmente le seuil n(t) alors que la pluie le fait diminuer.

Le produii de convolution de I'ETP par la partie positive de la R.I. donne la contribution de I'ETP au seuil de pluie efficace (I'ETP ou T ont une contribution positive sur le seuil car l'une et l'autre de ces grandeurs caractérise la perte en eau des sols et de la végétation). Le produit de convolution de la pluie par la partie négative de la R~I. donne la contribution de la pluie au seuil a(t) : la pluie a une contribution négative sur le seuil, suite à la recharge des ~ 0 1 s ~

La part relative a(t) = P , / ( P , + e ) de la pluie impliquée dans le transfert rapide est donnée par la fonction a(t) qui, elle-même, dépend de la pluie efficace passée:

La réponse impulsionnelle r,, est, là encore, représentée par un trapèze (modèle à 4 degrés de liberté):

- / \- rP,s

Le front de montée caractérise la durée du processus conduisant à la modification de l'état du bassin :en effet, le transfert rapide résulte généralement de phénomènes transitoires induits par un régime pluviometrique de forte intensité ou de longue durée. Ces processus comprennent la saturation en eau des sols, l'extension de zones humides dans les bas-fonds ou l'accroissement de la charge hydraulique dans un aquifère karstique.

La longueur de la plus petite base du trapèze régit l'amplitude des phénomènes de transferi rapide. En particulier, la fonction a(t) peut prendre d'importantes valeurs lorsque la longueur de cette base est supérieure à la durée moyenne séparant 2 événements de pluie efficace consécutifs, en raison du phénomène d'empilement observé lors du produit de convolution de la pluie efficace par ce trapèze (un événement de pluie efficace fait monter la fonction a(t) alors que celle-ci n'était pas encore redescendue à O, suite à l'événement 'Pluie' précédent).

Les solutions du modèle inverse sont les réponses impulsionnelles r, et r, , n(l) ( rpt rETP cste et (~(1) ( rpef ).

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Etai des connaissances géologiques siruciurales et hydrogeologique du basin d'Aix-Gardanne Définition d'un programme de mesures et d'invesiigaiions complémentaires

Le seuil de Dluie efficace

La prise en compte de la loi de conservation donne:

ou réserve utile des sols

Applicable également aux flux ainsi qu'aux niveaux piézométriques, suppose le calcul de la pluie efficace a partir de la réserve utile des sols n(t) Cette fonction du temps a la même dimension que la pluie (hauteur d'eau par unité de temps): c'est, à un instant donné, la capacité en eau des sols.

Lorsque la sortie représente un niveau piézométrique, le seuil n(t) inclut également le ruissellement de surface, à moins que celui-ci ne soit représenté par l'une des variables d'entrée (dite 'connexion hydraulique').

A un iemps t donné, la hauteur de pluie efficace est :

- la différence entre la hauteur de pluie et ce seuil si la hauteur de pluie est supérieure ou égale au seuil

- zéro si la hauteur de pluie est inférieure au seuil.

Cette approche visant à estimer la pluie efficace à partir d'un modèle inverse présente l'avantage de ne faire aucune hypothese sur le temps de régulation des processus de transfert dans les sols, contrairement aux modèles à réservoirs. Ces modèles assimilent en effet le sol à un réservoir, la pluie n'étant efficace que lorsque le réservoir déborde. Le niveau d'eau dans le réservoir, proportionnel à la hauteur de pluie moins I'évapotranspiration, est remis à jour au pas journalier. Or les temps de régulation des sols étant généralement supérieurs à la journée en raison des transferts entre les macropores et les micropores, ces modèles doivent surestimer la recharge utile des sols pour exprimer une pluie efficace en accord avec les observaiions.

Contribution de la Dluie au transfert rapide a(t) Les processus de transfert intervenant à l'échelle de bassins font généralement intervenir plusieurs réponses impulsionnelles (ou fonclions de transfert). Deux réponses impulsionnelles peuvent être utilisées Simultanément :

- une courte réponse irnpulsionnelle dite rapide, destinée à caractériser le ruissellement de surface d'un bassin versant ou la vidange gravitaire d'une nappe par 'effet de chasse', c'est-à-dire après qu'une continuité hydraulique entre la zone non saturée et la zone saturée se soit établie.

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Elal des connaissances géologiques çlructurales el hydrogeologique du bassin d'Aix-Gardanne Définition d'un programme de mesures el d'investigations complémentaires

- une réponse impulsionnelle lente, nécessairement plus longue que la précédente, décrivant à la fois les processus de transfert rapides (s'ils sont linéaires) et différés : infiltration, ...

Pour cela, la pluie efficace est décomposée en une composante rapide P,ei une composante lente 4 , chacune de ces composantes étant transférée à l'exutoire ou dans la nappe au moyen de la réponse impulsionnelle correspondante. La contribution de la pluie efficace au transfert rapide est décrite au moyen de la fonction a(t) dont les valeurs sont comprises entre O et 1. Celte fonclion donne, au temps t , la contribution de la pluie efficace impliquée dans le transfert rapide.

Coefficienl d'aiustement de Nash

La qualité de l'ajustement d'une série observée S(t) à l'aide d'un modèle M(t) peut également être mesurée à partir du coefficient d'ajustement de Nash. C'est un paramètre sans dimension : Nash=l-2, ou 2 est égal au rapport de la somme des carrés du résidu sur la variance de la série observée (moment centré d'ordre 2) :

Nash =1- ~ [ S ( n ) - M ( n ) ~ / c [ S ( n ) - s p n=I ,N ii=I.N

ou s représente la moyenne de la série observée S ( n ) , N est la taille de l'échantillon (longueur des séries en l'occurrence).

Le coefficient de Nash caractérise donc la distance entre la série observée et le modèle. notion incluant à la fois les erreurs systématiques (biais) et aléatoires (bruit). II est très utilisé par les hydrologues ainsi que les hydrogéologues.

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Annexe 5 : Méthodes d'interprétation des variations piézométriques.

Interprétation des séries piézométriques

9 Spatialiser l'information et mettre en évidence des relations entre aquifères

> Affiner les relations entre piézomètres et aquifères : analyse par traiiement statistique tel que du traitement du signal ou de l'analyse corrélatoire et spectrale 3 TEMPO (logiciel brgm) ou MathLab.

P Caractérisation de la recharge des systèmes aquifères 3 GARDENIA logiciel BRGM de modélisation globale type "boîte noire".

(drainance) 3 analyse des séries piézométriques

Marée terrestre et effets barométriques - compressibilité d'un réservoir aquifère

En milieu poreux, la porosité varie avec la pression En milieu karstique, le milieu est considéré comme étant à double porosité (fissures et conduits karstiques). Une déformation de la roche encaissant les vides sous l'effet de la pression est ainsi directement liée au coefficient de compressibilité des calcaires. Ce coefficient (2 .5 10 - 12 cm2/dynes) est déterminé à partir du module de Young. Sa faible valeur induit des effets de variation de pression sur la piézométrie négligeables. comparé à la porosité de l'encaissant. Les effets de marée et de pression barométrique peuvent être décelés dans le cas des variations piézométriques d'aquifères captifs.

Les marées terrestres résultent essentiellement de l'attraction lunaire et dans une moindre mesure, de l'attraction solaire. Ces attractions engendrent une déformation du globe terrestre, qui est fonction des paramètres de la rhéologie (élasticité, viscosité, plasticité) Les phénomènes engendrés par la combinaison des forces tidales sont nombreux (Mangin, 1975). Parmi ceux-ci se trouve la dilatation cubique, qui engendre une variation du niveau piézométrique dans les aquifères ; cette variation a une périodicité semi-diurne. Cette variation peut être observée et mesurée, lorsque dans le cas des aquifères captifs, elle peut atteindre plusieurs centimètres. Cette variation permet alors de calculer le coefficient d'emmagasinement et la porosité.

La pression barométrique est caractérisée par des oscillations diurnes et semi-diurnes liées au réchauffement de l'atmosphère sous l'influence solaire. Ces fluctuations agissent sur le niveau piézométrique. La relation entre le niveau d'eau dans l'aquifère et la pression atmosphérique est inverse. Si l'aquifère est captif, les effets barométriques viennent se surimposer aux effets de marée sur les oscillations observées sur les niveaux piézométriques. La porosité peut être déterminée (Jacob C.E. 1940).

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Annexe 6 : Interprétation des essais de traçage artificiels.

Les problèmes qui se posent des essais de traçage en milieu karstique sont liés d'une part au type d'écoulement partiellement en conduits et aux modalités de transport associées, à la dispersion du traceur due soit au milieu, soit aux conditions d'écoulement (turbulent et laminaire), soit à un stockage et d'autre part aux conditions d'injection (injection instantanée de type Dirac ou continue, point d'infiltration naturelle (doline, perte, -..) ou forage (typologie du système : localisation du forage (drain ou conduit, milieu fissuré bien ou mal connecté ; injection entre packer ou sur toute la hauteur de l'ouvrage). Les paramètres utiles pour l'interprétation des essais de traçage artificiels effectués pour la mise en évidence d'une connexion hydraulique etiou déterminer les volumes tracés correspondants, sont : le temps de lere apparition et la vitesse associée, le temps modal et sa vitesse associée (au pic de la courbe de restitution), le taux de restitution (masse récupérée / masse injectée) et volume d'eau tracée (volume d'Allen). Ce volume est calculable seulement si le régime hydrologique est resté permanent au cours de la restitution du traceur.

Choix du traceur fluorescent

Les traceurs fluorescents sont habituellement utilisés dans les études hydrogéologiques. pour leur facilité d'emploi, leur seuil de détection bas, et leur faible toxicité. Ils sont d'autant plus recommandés pour les essais de traçages d'écoulements souterrains, où ils ne seront pas soumis au phénomène de photo-dégradation, L'uranine, qui émet dans les verts (longueurs d'onde d'excitation et d'émission de 490 et 520 nm, respectivement), est le traceur fluorescent plus couramment utilisé, car il présente la meilleure réponse en fluorescence, et le plus faible taux d'adsorption.

Des études menées sur les traceurs fluorescents (Smart, 1984 ; Leibundgut 8 Hadi, 1997), ont permis de déterminer leur toxicité pour les organismes vivants. Les effets létaux n'apparaissent que pour des concentrations particulièrement élevées. Smart (1984) indique l'absence de risque cancérigène et mutagène de I'uranine. Leibundgut 8 Hadi (1997) indiquent des concentrations maximales résultantes en uranine à ne pas dépasser lors des expériences de traçage de 10 et 100 ppb respectivemeni pour les eaux souterraines et de surface. Bien que ces limites soient en deçà des seuils de toxicité, ils recommandent par précaution de maintenir les concentrations en traceur les plus basses possibles.

Détermination de la quantité de fluorescéine à injecter

L'estimation de la quantité de traceur à injecter est un point clé des essais de traçage : il s'agit de trouver le bon compromis entre le trop et le trop peu. II est inutile de irop charger les eaux, et une sous-estimation peut compromettre l'interprétation de l'essai si les concentrations en sortie sont inférieures au seuil de détection.

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La détermination peut être effectuée à l'aide de plusieurs méthodes, sans omettre de considérer les essais précédents dans le secteur d'étude (quantité injectée, mélhode de détermination, taux de restitution, conditions hydrologiques). II est possible d'avoir recours à des méthodes utilisant des abaques (Marsaud, 1997) ou des formules empiriques (Unesco).

L'abaque permet d'estimer les quantités de fluorescéine a injecter selon différentes hypothèses de connexion des drains karstiques et ordre de grandeur de débit. L'Unesco donne plusieurs formules approximatives et plus ou moins élaborées pour le calcul de la quantité de traceur à injecter (Unesco, 1973-1983) Une des difficultés pour l'application de ces formules est la diversité des paramètres employés, qui bien souvent manquent.

L Formule 1 : M = k . -

10

avec :

M masse de traceur (g)

L k

distance entre points d'injection et de prélèvement (m) coefficient, de 2 à 10 pour le karst

Ce qui nous donne pour la source de Fontestramar qui est le point le plus en aval avec une distance de 21 km, une masse de fluorescéine variant de 4,2 kg (k = 2) a 21 kg (k = IO).

Formule 2 : M = k. - + 0,02.V, Q.L v

avec :

M masse de fluorescéine (g)

L distance entre points d'injection et de prélèvement (m) Q débit de la source en m3/s V vitesse de Veau souterraine en mb V, volume de la réserve souterraine en milliers de m3

k coefficient de 500 pour les roches fissurées (calcaires), sinon 3000

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Courbe de restitution

Débits [Q(t)]

Flux massique f (t) = Q(i) + c (i)

Distribution des temps de séjour

Paramètres des courbes de restitution

iemps d 'arrivée, et de fin de passage vitesse maximale,

durée de restitution,

concenlration maximale,

concentration moyenne c moy = intégrale (c( l)/ir ) d t

volume d 'eau écoulé avant et durant la restitution

masse de traceur restitué Mr = intégrale f (t) dt

pourcentage de restitution R(%) = M/Mr

h(t) = ( f(t) / Mr).

= flux normés par rapport à la masse restituée

(d'après LEPILLER et MONDAIN, 1986)

+-mrioo I

Courbe de restitution fype d'un essai de traçage et distribution des temps de séjour (DTS). Définition du temps moyen de séjour f. (Ph. Meus, 1993).

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Annexe 7 : Méthodes de datation isotopique.

Dans l'étude des eaux souterraines, on peut déterminer les sources de substances solides dissoutes, l'âge de l'eau souterraine, la durée de son contact avec l'atmosphère et le devenir des contaminants grâce à l'usage d'isotopes convenablemenl choisis.

Un élément chimique X est caractérisé par son numéro atomique Z et sa masse atomique A. Les isotopes d'un même élément chimique possèdent le même numéro atomique (même nombre de protons) et ne différents que par leurs masses atomiques A, c'est à dire par le nombre de neutrons N dans le noyau. Parmi les isotopes stables ou radioactifs les plus souvent retrouvés ou utilisés dans l'étude des eaux souterraines, on peut citer le tritium (3H). le carbone 14 (14C), l'oxygène 18 ("O), le chlore 36 (36Cci), le souffre 34 (%) et le silicium 32 ("Si).

Les transformations radioactives peuvent, par étapes successives, conduire à d'autres éléments. Ces transformations nucléaires s'accompagnent toujours d'émissions de radiations particulières (a, p-, y.. .). Les particules correspondent à l'émission de noyau d'hélium ; à l'émission d'électrons et représentant l'énergie mise en jeu lors de la transition entre niveaux d'énergie nucléaire subséquents. Les particules a intéressent surtout les éléments lourds de numéro atomique supérieur à celui du plomb. II s'agit pour tous de processus irréversibles :

Emission de particules a :

Emission de particules p' :

23290Th 3 22886Ra+42He

22888Ra+ 22e6gAC+0.~e

Emission de particules y : 23692u 3 2m92u + y

La concentration du produit de départ (appelé élément Père et noté P) diminue dans le temps alors que celle du produit obtenu(appe1é élément Fils et noté F) augmente. Si N est le nombre d'atomes radioactifs à l'instant t et dN sa variation durant la période dt, les N atomes décroissent en émettant leur rayonnement selon la loi :

AN = -k N At où k est la constante de désintégration ou décroissance radioactive.

Ce qui conduit à N(t) = No e-ki O.

En général, on caractérise une substance radioactive par son temps de demi-vie, c'est à dire la période correspondant au temps au bout duquel la moitié de a substance radioactive est désintégrée.

T,,2est de l'ordre de 5730 ans pour le Carbone 14 et de 12.26 ans pour le tritium

où No est le nombre d'atomes à l'instant initial t =

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Exemple 1 : les isotopes stables de la molécule d'eau c'O et 'H) et instable (Tritium)

L'utilisation des isotopes stables de l'eau ("O el 'H) permet de tracer très fidèlement les flux hydriques qui s'écoulent dans les systèmes dans la mesure où ils sont intimement liés à l'eau. L'utilisation de ces traceurs permet également de mettre en évidence les processus d'évaporation. Enfin, la nature conservative de ces traceurs permet d'identifier les phénomènes de mélange d'eaux d'origines différentes.

La signature isotopique des précipitations est extrêmement variable dans le temps et dans i'espace, et peut constituer à ce titre, un bon marqueur des eaux infiltrées dans les systèmes, dès lors que la signature isotopique de l'eau préexistante dans le système est différente de celles des précipitations.

Contrairement à l'oxygène 18 et au deutérium, l'isotope tritium de la molécule d'eau est instable dans le temps et est fréquemment utilisé comme chronomètre pour dater les eaux. (3H, période courte, 12,26 ans)

Exemple 2 : les isotopes du carbone (d3C et AI4C)

Les eaux de pluie lorsqu'elles s'infiltrent tendent à se charger en CO2 du sol, lui-même issu de la dégradation de la matière organique et donc marqué isotopiquement par cette origine. Le carbone résultant possède généralement un rapport isotopique compris entre - 20 %O et - 25 %O. Ce type de carbone présente également les teneurs maximales en 14C (A14C compris entre 105 et 130 %) car son temps de résidence est trés faible. A l'inverse, le second réservoir de carbone dans les systèmes est celui des carbonates dont les rapports isotopiques sont proches de zéro et les activités 14C nulles. Le carbone 13 permet de déterminer l'origine du carbone dissous dans l'eau (matière organique, carbonates...). Le carbone 14 est instable dans le temps et est fréquemment utilisé comme chrono- mètre pour dater les eaux (I4C, période de 5250 ans).

Application : les isotopes radiogéniques du strontium (rapport 07Srf6Sr)

L'élément strontium peut être utilisé comme traceur dans les études environnementales puisqu'il est naturellement présent dans le milieu. II possède 4 isotopes : "Sr, 87Sr*, %r el 84Sr stables. Seul le strontium 87 (87Sr) est radiogénique'

L'abondance des isotopes "Sr, '%r et 84Sr reste conslante au cours du temps alors que i'abondance de l'isotope 87Sr va augmenter dans le temps suite à la production via la désintégration du 87Rb*. En Sciences de la Terre et dans les études environnementales on utilise le rapport de l'isotope radiogénique 87Sr/86Sr que l'on exprime en fonction de teneurs en stroniium et rubidium (IISr, Rb/Sr).

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Etat des connaissances géologiques struciurales et hydrogéologique du bassin d'Aix-Gardanne Définition d'un programme de mesures el d'investigations complémentaires

En effet, avec le temps, la quantité de a7Rb diminue et celle de 67Sr augmente, ainsi que ie rapport 8 7 ~ r / a 6 ~ r .

Au temps t. après un certain taux de désintégration du 87Rb* :

sr,olal = 8 7 ~ r ,0+87sr, 67

(a) Pi - P O

Par ailleurs, In- - - At

Po (élément père donc ici le Rb) est inconnu, mais à chaque désintégration d'un atome

En combinant (a) el (b), on obtient :

de a7Rb' il se forme un alome de 87Sr. On peut donc écrire Po = P, + F (b)

3 F = P,(e "-1) F A l -+1 = e PI

Ce qui revient à écrire :

87Sr, = a7Rb' (e At-l) or 67 sr, = srtoUl - 8 7 ~ r

Donc

87Sr,o,,l = 67Sr + a7Rb' (e "-1)

En divisant le tout par %r resté constant pendant le temps t, on obtient :

(87Srlolal /%r )= (a7Rb+/%r) (e ',-l) + (87Sr o/86Sr)

67

D'une manière générale, les eaux qui drainent les roches acquièrent la composition isotopique en Sr (rapport a7Sr/a6Sr) des minéraux de cette roche les plus sensibles a la dissolution. Ainsi, les eaux qui drainent des roches silicatées (granite par exemple) présentent des rapports 87Sr/86Sr relativement élevés, celles qui drainent des roches carbonatées ont des signatures plus faibles (moins radiogéniques). Ces variations isotopiques peuvent être utilisées pour mettre en évidence et quantifier des mélanges d'eaux de diverses origines.

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