Aquifère

Un aquitard est une zone au sein de la Terre qui restreint l’écoulement des eaux souterraines d’un aquifère à un autre. Un aquitard peut parfois, s’il est complètement imperméable, être appelé aquiclude ou aquifuge. Les aquitards sont composés de couches soit d’argile, soit de roche non poreuse à faible conductivité hydraulique.

Saturé versus non saturéEdit

Voir aussi : Teneur en eau et Humidité du sol

L’eau souterraine peut être trouvée à presque tous les points du sous-sol peu profond de la Terre à un certain degré, bien que les aquifères ne contiennent pas nécessairement de l’eau douce. La croûte terrestre peut être divisée en deux régions : la zone saturée ou zone phréatique (ex, aquifères, aquitards, etc.), où tous les espaces disponibles sont remplis d’eau, et la zone non saturée (également appelée zone vadose), où il existe encore des poches d’air qui contiennent un peu d’eau, mais qui peuvent être remplies de plus d’eau.

Saturée signifie que la hauteur de pression de l’eau est supérieure à la pression atmosphérique (elle a une pression manométrique > 0). La définition de la nappe phréatique est la surface où la hauteur de pression est égale à la pression atmosphérique (où la pression manométrique = 0).

Les conditions non saturées se produisent au-dessus de la nappe phréatique où la hauteur de pression est négative (la pression absolue ne peut jamais être négative, mais la pression manométrique le peut) et l’eau qui remplit incomplètement les pores du matériau aquifère est sous aspiration. L’eau contenue dans la zone non saturée est maintenue en place par des forces adhésives de surface et s’élève au-dessus de la nappe phréatique (l’isobare de pression manométrique nulle) par action capillaire pour saturer une petite zone au-dessus de la surface phréatique (la frange capillaire) à une pression inférieure à la pression atmosphérique. Ce phénomène est appelé saturation de tension et n’est pas identique à la saturation sur la base de la teneur en eau. La teneur en eau dans une frange capillaire diminue à mesure que l’on s’éloigne de la surface phréatique. La tête capillaire dépend de la taille des pores du sol. Dans les sols sablonneux à pores plus larges, la tête sera moins importante que dans les sols argileux à pores très petits. La montée capillaire normale dans un sol argileux est inférieure à 1,8 m (6 ft) mais peut varier entre 0,3 et 10 m (1 et 33 ft).

La montée capillaire de l’eau dans un tube de petit diamètre implique le même processus physique. La nappe phréatique est le niveau auquel l’eau s’élèvera dans un tuyau de grand diamètre (par exemple, un puits) qui descend dans l’aquifère et qui est ouvert à l’atmosphère.

Aquifères versus aquitardsEdit

Les aquifères sont généralement des régions saturées du sous-sol qui produisent une quantité d’eau économiquement réalisable vers un puits ou une source (par ex, le sable et le gravier ou le substratum rocheux fracturé font souvent de bons matériaux aquifères).

Un aquitard est une zone dans la Terre qui limite l’écoulement des eaux souterraines d’un aquifère à un autre. Un aquitard complètement imperméable est appelé aquiclude ou aquifuge. Les aquitards comprennent des couches d’argile ou de roche non poreuse à faible conductivité hydraulique.

Dans les zones montagneuses (ou près des rivières dans les zones montagneuses), les principaux aquifères sont généralement des alluvions non consolidées, composées de couches principalement horizontales de matériaux déposés par les processus de l’eau (rivières et ruisseaux), qui, en coupe transversale (en regardant une tranche bidimensionnelle de l’aquifère), apparaissent comme des couches de matériaux grossiers et fins alternés. Les matériaux grossiers, en raison de l’énergie élevée nécessaire pour les déplacer, ont tendance à se trouver plus près de la source (fronts de montagne ou rivières), tandis que les matériaux à grain fin se retrouvent plus loin de la source (dans les parties plus plates du bassin ou dans les zones de surplomb – parfois appelées zones de pression). Comme il y a moins de dépôts à grain fin près de la source, c’est un endroit où les aquifères sont souvent non confinés (parfois appelé zone de bief), ou en communication hydraulique avec la surface terrestre.

Voir aussi : Conductivité hydraulique et Storativité

Confiné versus non-confinéEdit

Il y a deux membres d’extrémité dans le spectre des types d’aquifères ; confiné et non-confiné (le semi-confiné étant entre les deux). Les aquifères non confinés sont parfois aussi appelés nappes phréatiques ou aquifères phréatiques, car leur limite supérieure est la nappe phréatique ou la surface phréatique. (Voir l’aquifère de Biscayne.) Généralement (mais pas toujours), l’aquifère le moins profond à un endroit donné est non confiné, ce qui signifie qu’il n’y a pas de couche de confinement (un aquitard ou un aquiclude) entre lui et la surface. Le terme « perché » désigne une eau souterraine qui s’accumule au-dessus d’une unité ou d’une strate peu perméable, telle qu’une couche d’argile. Ce terme est généralement utilisé pour désigner une petite zone locale d’eau souterraine qui se trouve à une altitude plus élevée qu’un aquifère étendu à l’échelle régionale. La différence entre les aquifères perchés et non confinés est leur taille (les perchés sont plus petits). Les aquifères captifs sont des aquifères recouverts d’une couche de confinement, souvent composée d’argile. La couche de confinement pourrait offrir une certaine protection contre la contamination de surface.

Si la distinction entre aquifères captifs et non captifs n’est pas claire d’un point de vue géologique (c’est-à-dire si l’on ne sait pas s’il existe une couche de confinement claire, ou si la géologie est plus complexe, par exemple un aquifère rocheux fracturé), la valeur de storativité renvoyée par un test aquifère peut être utilisée pour la déterminer (bien que les tests aquifères dans les aquifères non captifs doivent être interprétés différemment des tests aquifères captifs). Les aquifères confinés ont des valeurs de storativité très faibles (beaucoup moins de 0,01, et aussi peu que 10-5), ce qui signifie que l’aquifère stocke de l’eau en utilisant les mécanismes d’expansion de la matrice aquifère et de compressibilité de l’eau, qui sont généralement des quantités assez faibles. Les aquifères non confinés ont des storativités (typiquement appelées alors rendement spécifique) supérieures à 0,01 (1 % du volume apparent) ; ils libèrent l’eau du stockage par le mécanisme de drainage effectif des pores de l’aquifère, libérant des quantités d’eau relativement importantes (jusqu’à la porosité drainable du matériau aquifère, ou la teneur en eau volumétrique minimale).

Voir aussi : Porosité et Storativité

Isotrope versus anisotropeEdit

Dans les aquifères ou couches aquifères isotropes, la conductivité hydraulique (K) est égale pour un écoulement dans toutes les directions, alors que dans des conditions anisotropes, elle diffère, notamment dans le sens horizontal (Kh) et vertical (Kv).

Les aquifères semi-confinés avec un ou plusieurs aquitards fonctionnent comme un système anisotrope, même lorsque les couches séparées sont isotropes, car les valeurs composées de Kh et Kv sont différentes (voir transmissivité hydraulique et résistance hydraulique).

Lorsque l’on calcule le débit vers les drains ou le débit vers les puits dans un aquifère, l’anisotropie doit être prise en compte, de peur que la conception du système de drainage qui en résulte ne soit défectueuse.

Poreux, karstique ou fracturé

Pour gérer correctement un aquifère, il faut en comprendre les propriétés. De nombreuses propriétés doivent être connues pour prédire comment un aquifère réagira aux précipitations, à la sécheresse, au pompage et à la contamination. Où et combien d’eau pénètre dans les eaux souterraines à partir des précipitations et de la fonte des neiges ? À quelle vitesse et dans quelle direction l’eau souterraine se déplace-t-elle ? Quelle quantité d’eau quitte le sol sous forme de sources ? Quelle quantité d’eau peut être pompée de manière durable ? À quelle vitesse un incident de contamination peut-il atteindre un puits ou une source ? Les modèles informatiques peuvent être utilisés pour tester la précision avec laquelle la compréhension des propriétés de l’aquifère correspond à la performance réelle de l’aquifère.:192-193, 233-237 Les réglementations environnementales exigent que les sites présentant des sources potentielles de contamination démontrent que l’hydrologie a été caractérisée.:3

Édition poreuse

L'eau s'infiltrant lentement du grès poreux havane au contact du schiste gris imperméable crée une croissance rafraîchissante de végétation verte dans le désert.
L’eau des aquifères poreux s’infiltre lentement dans les espaces interstitiels entre les grains de sable

Les aquifères poreux se trouvent généralement dans le sable et le grès. Les propriétés des aquifères poreux dépendent de l’environnement sédimentaire de dépôt et de la cimentation naturelle ultérieure des grains de sable. L’environnement où un corps de sable a été déposé contrôle l’orientation des grains de sable, les variations horizontales et verticales, et la distribution des couches de schiste. Même les fines couches de schiste constituent des barrières importantes à l’écoulement des eaux souterraines. Tous ces facteurs affectent la porosité et la perméabilité des aquifères sableux.:413 Les dépôts sableux formés dans des environnements marins peu profonds et dans des environnements de dunes de sable soufflées par le vent ont une perméabilité modérée à élevée, tandis que les dépôts sableux formés dans des environnements fluviaux ont une perméabilité faible à modérée.:418 Les précipitations et la fonte des neiges pénètrent dans les eaux souterraines lorsque l’aquifère est proche de la surface. Les directions d’écoulement des eaux souterraines peuvent être déterminées à partir des cartes de la surface potentiométrique des niveaux d’eau dans les puits et les sources. Les tests d’aquifère et les tests de puits peuvent être utilisés avec les équations d’écoulement de la loi de Darcy pour déterminer la capacité d’un aquifère poreux à transporter l’eau.:177-184 L’analyse de ce type d’information sur une zone donnée donne une indication de la quantité d’eau qui peut être pompée sans surcharge et de la façon dont la contamination se déplacera.:233 Dans les aquifères poreux, l’eau souterraine s’écoule sous forme de suintement lent dans les pores entre les grains de sable. Un débit d’eau souterraine de 1 pied par jour (0,3 m/j) est considéré comme un taux élevé pour les aquifères poreux, comme l’illustre l’eau qui suinte lentement du grès dans l’image d’accompagnement à gauche.

La porosité est importante, mais, à elle seule, elle ne détermine pas la capacité d’une roche à agir comme un aquifère. Les zones des trappes du Deccan (une lave basaltique) dans le centre-ouest de l’Inde sont de bons exemples de formations rocheuses à forte porosité mais à faible perméabilité, ce qui en fait de mauvais aquifères. De même, le groupe de la craie microporeuse (Crétacé supérieur) du sud-est de l’Angleterre, bien qu’ayant une porosité raisonnablement élevée, a une faible perméabilité grain à grain, ses bonnes caractéristiques de rendement en eau étant principalement dues à la micro-fracturation et à la fissuration.

KarstEdit

Plusieurs personnes dans un jon boat sur une rivière à l'intérieur d'une grotte.
L’eau dans les aquifères karstiques circule dans des conduits ouverts où l’eau s’écoule sous forme de ruisseaux souterrains

Les aquifères karstiques se développent généralement dans le calcaire. Les eaux de surface contenant de l’acide carbonique naturel descendent dans les petites fissures du calcaire. Cet acide carbonique dissout progressivement le calcaire, élargissant ainsi les fissures. Les fissures élargies permettent à une plus grande quantité d’eau de pénétrer, ce qui entraîne un élargissement progressif des ouvertures. L’abondance de petites ouvertures permet de stocker une grande quantité d’eau. Les ouvertures plus grandes créent un système de conduits qui drainent l’aquifère vers les sources. La caractérisation des aquifères karstiques nécessite une exploration sur le terrain pour localiser les dolines, les rigoles, les ruisseaux qui s’enfoncent et les sources, en plus de l’étude des cartes géologiques :4 Les méthodes hydrogéologiques conventionnelles telles que les tests aquifères et la cartographie potentiométrique sont insuffisantes pour caractériser la complexité des aquifères karstiques. Ces méthodes d’investigation conventionnelles doivent être complétées par des traces de colorants, la mesure du débit des sources et l’analyse de la chimie de l’eau. Le traçage au colorant de l’U.S. Geological Survey a déterminé que les modèles conventionnels d’eau souterraine qui supposent une distribution uniforme de la porosité ne sont pas applicables aux aquifères karstiques. L’alignement linéaire des caractéristiques de surface telles que les segments de cours d’eau droits et les dolines se développent le long des traces de fracture. La localisation d’un puits dans une trace de fracture ou une intersection de traces de fracture augmente la probabilité de rencontrer une bonne production d’eau. Les vides dans les aquifères karstiques peuvent être suffisamment grands pour provoquer un effondrement ou un affaissement destructif de la surface du sol qui peut créer une libération catastrophique de contaminants :3-4 Le débit des eaux souterraines dans les aquifères karstiques est beaucoup plus rapide que dans les aquifères poreux, comme le montre l’image ci-contre. Par exemple, dans l’aquifère Barton Springs Edwards, des traces de colorant ont mesuré les taux d’écoulement des eaux souterraines karstiques de 0,5 à 7 miles par jour (0,8 à 11,3 km/j). La rapidité d’écoulement des eaux souterraines rend les aquifères karstiques beaucoup plus sensibles à la contamination des eaux souterraines que les aquifères poreux.:1

Dans le cas extrême, les eaux souterraines peuvent exister dans des rivières souterraines (ex, grottes sous-jacentes à la topographie karstique.

Edit fracturé

Si une unité rocheuse de faible porosité est fortement fracturée, elle peut aussi faire un bon aquifère (via l’écoulement fissuré), à condition que la roche ait une conductivité hydraulique suffisante pour faciliter le mouvement de l’eau.

Aquifère transfrontalierModification

Lorsqu’un aquifère transcende les frontières internationales, le terme d’aquifère transfrontalier s’applique.

La transfrontalité est un concept, une mesure et une approche introduits pour la première fois en 2017. La pertinence de cette approche est que les caractéristiques physiques des aquifères deviennent juste des variables supplémentaires parmi le large spectre de considérations de la nature transfrontalière d’un aquifère :

  • social (population);
  • économique (productivité des eaux souterraines);
  • politique (en tant que transfrontalier);
  • recherche ou données disponibles;
  • qualité et quantité d’eau;
  • autres questions régissant l’ordre du jour (sécurité, commerce, immigration, etc.).

La discussion passe de la question traditionnelle de  » l’aquifère est-il transfrontalier ? » à  » à quel point l’aquifère est-il transfrontalier ? « .

Les contextes socio-économiques et politiques écrasent effectivement les caractéristiques physiques de l’aquifère en ajoutant sa valeur géostratégique correspondante (son caractère transfrontalier)

Les critères proposés par cette approche tentent d’encapsuler et de mesurer toutes les variables potentielles qui jouent un rôle dans la définition de la nature transfrontalière d’un aquifère et de ses limites multidimensionnelles.

Carte des principaux aquifères américains par type de roche

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