Recherches des zones aquifères

La prospection combinée

Après la délimitation de la zone à prospecter et la définition des objectifs à atteindre, toute prospection commence par une recherche intensive des documents déjà existants. I1 s'agit d'abord, en première étape, de rechercher les supports topographiques utilisables: cartes et photos aériennes principalement. En deuxième étape, l'hydrogéologue établit un inventaire exhaustif des manifestations hydrauliques et des ouvrages hydrauliques existants (dans la zone à investiguer et sur sa bordure extérieure) ainsi bien sûr que toutes les informations en relation avec les éléments investigués. En troisième étape, la prospection combinée pourra être appliquée si nécessaire. Cette prospection implique que l'on confronte de nombreuses informations d'origines très diverses dans le but de localiser des aquifères ou de préciser l'étendue ou le fonctionnement (le comportement) des aquifères et les cibles d'exploitation les plus favorables qu'ils contiennent. Généralement, on combine ou intègre les informations suivantes dans un modèle:

• Télédétection, photos aériennes et structures
• Géologie, lithologie, tectonique
• Géophysique
• Forages, puits, tranchées.

Télédétection, photos aérienne et structures

La télédétection permet d'obtenir divers types d'informations sur la surface de la terre. On distingue dans un premier temps, sur les photos satellites, les zones sèches des zones humides ou noyées ainsi que la nature et la disposition de la végétation. Cette dernière peut donner des informations précieuses sur la distribution des eaux souterraines de faible profondeur. On recherche également, avec beaucoup d'intérêt, les structures discontinues qui correspondent à des contacts lithologiques anormaux ou à des "accidents" tectoniques majeurs de dimension kilométrique. Dans un second temps, l'étude approfondie des photos aériennes et des cartes topographiques (si elles existent) sera consacrée à l'observation des éléments suivants:

• nature et épaisseur des sols, végétation, eaux de surface, réseau hydrographique et émergences;
• affleurement et lithologie: affleurements rocheux, dykes, moraines, éboulis, terrasse, alluvions;
• linéaments structuraux: failles, zones de fissuration.

La figure 101 illustre une analyse classique d'une photo aérienne de la partie médiane du Burkina Faso (en zone de socle). On a ajouté sur la photo aérienne les ouvrages hydrauliques recensés. Des sites favorables ont été identifiés en vue d'une reconnaissance ultérieure. Ces sites sont généralement à l'intersection des accidents majeurs. On tente de différencier les directions structurales productives des directions moins productives en prenant, entre autres, en compte 1a position topographique d'un site retenu (c'est-à-dire avec son bassin potentiel d'alimentation). La figure 102 réunit sur une même figure interprétative les relevés des linéaments observés sur des photos satellites et ceux observés sur des photos aériennes.

Informations géologiques, lithologie, tectonique

Si toute prospection d'eau souterraine se base sur une bonne connaissance de la géologie locale, cette dernière peut jouer cependant un rôle plus important dans les terrains sédimentaires que dans les zones de socle à aquifères discontinus. Les aquifères complexes des régions d'Evian et de l'Areuse illustrent bien le rôle de la stratigraphie, de la lithologie et de la structure dans l'explication du comportement des écoulements souterrains. La figure 103 tente de reconstituer l'origine et le cheminement de l'eau de la source d'Evian, sur la base de la géologie régionale.

Géophysique

Les nombreuses méthodes géophysiques actuellement opérationnelles occupent une place importante dans la prospection et la reconnaissance des eaux souterraines. On distingue les méthodes appliquées sur le terrain, en surface, de celles utilisées dans les forages de reconnaissance (diagraphie de forage). Les principales méthodes utilisées sur le terrain sont les suivantes :

• électriques
• électromagnétiques
• gravimétriques
• sismiques

Méthodes électriques

Les méthodes électriques sont des méthodes classiques très utilisées en hydrogéologie. Elles se basent sur la mesure de la résistivité des formations géologiques. Les formations géologiques possèdent très souvent des résistivités spécifiques restant approximativement constantes, en tous les cas localement, alors qu'elles varient considérablement d'une formation à l'autre. Le travail du prospecteur-géophysicien consiste d'abord à diviser l'espace constitué par le sous-sol soumis à son investigation, en un certain nombre de domaines séparés par des surfaces de discontinuité. I1 s'agit ensuite de préciser l'allure de ces surfaces, tout en indiquant la valeur moyenne des paramètres des milieux qu'elles limitent et finalement, le géologue remplit de matière ce cadre physique. 1) Mise en oeuvre: On injecte du courant électrique par des électrodes (A et B) et on mesure la distribution du potentiel (M et N). Cette distribution varie selon la nature physique des terrains investigués. On calcule la résistivité apparente du sol ra, figures 104 et 105.

$$\rho_a = K \frac{\Delta V}{I}$$ (6.1)

avec:

• $\rho_a$ = résistivité apparente [ $\Omega m$ ]
• $\delta V$ = potentiel [ mV ]
• $I$ = intensité [ mA ]
• $K$ = facteur de disposition des électrodes
  

  $$K = \frac{1}{\frac{1}{AM}-\frac{1}{AN}-\frac{1}{BM}+\frac{1}{BN} }$$ (6.2)

  
  

La résistivité des formations est fortement fonction de leur teneur en eau, figure 105 b. 2) Le sondage électrique: Le centre du dispositif est fixe et l'on éloigne les électrodes, augmentant ainsi la profondeur d'investigation. L'interprétation des mesures permet de reconnaître la succession des résistivités vraies et des profondeurs des formations profondes, figure 105c. 3) Le trainé électrique: En déplaçant le dispositif de dimension fixe (AB, MN), on peut étudier les variations latérales de la résistivité apparente du sol et ainsi indirectement localiser des zones aquifères favorables. La figure 106a illustre les résultats d'une recherche classique de formation aquifère dans un dépôt lacustre argilo-limoneux. La réalisation de trainés de différentes longueurs de ligne peut également permettre de reconnaître des zones aquifères spécifiques, figure 106b.

Electromagnétisme

On développe aujourd'hui des méthodes électro-magnétiques toujours plus perfectionnées dans le but de s'affranchir de la contrainte des électrodes plantées dans le sol. Le principe consiste à mesurer la déformation de champs électromagnétiques provoqués artificiellement. L'interprétation de cette déformation peut permettre d'identifier la nature des couches sous-jacentes ainsi que la profondeur de celles-ci. Ces méthodes (V L F, dipôle-dipôle) sont actuellement développées dans plusieurs instituts ou entreprises. Dans le domaine spécifique des eaux souterraines, le CHYN contribue aujourd'hui activement à ces développements.

Gravimétrie

Dans des zones particulières, où la topographie n'influence que peu 1a valeur de l'attraction terrestre, la gravimétrie peut se révéler une méthode de prospection très performante, économique et rapide. Le principe consiste à mesurer les variations relatives de l'attraction terrestre g dont la valeur est fonction de la densité des roches sous-jacentes. Récemment, cette méthode a été appliquée avec succès dans la région de Zinder au Niger où le contraste des densités était suffisant pour que l'on obtienne facilement l'allure du toit du substratum, figure 107.

Sismique

La sismique, dont le principe consiste à différencier les formations sur la base de la vitesse de propagation des ondes qui les traversent, est une méthode relativement coûteuse et lente avec cependant des résultats souvent excellents. On applique fréquemment cette méthode sur des sites alluvionnaires, lorsque l'on veut connaître l'épaisseur des roches meubles sur le socle (vitesse des sables: 600 m/s, vitesse du calcaire: 5000 m/s). En hydrogéologie, on utilise principalement la sismique réfraction. Cependant les progrès récents de l'informatique autorise aujourd'hui l'utilisation de la sismique réflexion même pour les faibles profondeurs investiguées généralement par les hydrogéologues.

Diagraphies de forage

Cette technique développée dans le cadre de la recherche pétrolière est maintenant très fréquemment utilisée en hydrogéologie. Les mesures les plus simples sont celles du PS et des profils de résistivité obtenus à partir d'un dispositif appelé single-point, figure 108. Un logging classique d'un forage est généralement composé par un log d'avancement du forage et un log des pertes de fluide de forage, un log gamma et un caliper log. Les résultats obtenus permettront de bien préciser les limites des formations, leur nature hydrogéologique voire même d'évaluer la porosité et la perméabilité des formations aquifères identifices, figure 109. Sur la base de ces loggings et même en l'absence de carottage, un bon plan d'équipement (position des crépines et des tubes pleins) du forage sera relativement facile à établir.

Forages, puits et tranchées

Forage de reconnaissance

Réaliser des forages de reconnaissance (voire des puits ou des tranchées) constitue une des étapes majeures d'une prospection hydrogéologique. Le but sera double:

• confirmer et préciser les hypothèses faites à partir des premières étapes.
• préparer les sites pour les captages d'essai ou d'exploitation.
• permettre d'étalonner la géophysique, voire de réinterpréter des données déjà acquises.

Le forage de reconnaissance est un forage réalisé uniquement dans un but de recherche et non d'exploitation. Suivant les conditions et les objectifs, il peut être fait rapidement et économiquement, ou inversement très soigneusement. I1 permettra, outre les observations géologiques et l'étalonnage de 1a géophysique, de reconnaître l'aquifère soit principalement les éléments suivants:

• nature de l'aquifère
• charge hydraulique, parfois gradient
• physico-chimie et chimie de l'eau
• perméabilité par flow-meter

Réutilisation de forages ou de puits

La réalisation de forages est un travail spécialisé qui demande une longue expérience. Selon la nature du terrain, la nature et la profondeur de l'aquifère, il s'agit de choisir la méthode optimale parmi les principales suivantes:

• forage rotary (rotation de la tête et circulation de boue)
• forage à câble (outils suspendus à un câble)
• forage M F T (marteau fond de trou)

Ces méthodes sont bien décrites dans les manuels de forage, en particulier le Detay (1993). Dès que le forage est terminé, on procédera à son équipement et cela en fonction de l'objectif: reconnaissance (un ou plusieurs piézomètres, figure 110) ou essais, ou exploitation (forages de gros diamètre, mise en place de massif filtrant). La figure 111 illustre les 2 types d'équipement classique des forages, l'un en aquifère meuble, l'autre en roche indurée. I1 existe de grandes variétés de puits dont les deux exemples suivants illustrent bien les types classiques: A) Puits à très haute productivité, près des eaux de surface ou dans des alluvions très étendues mais de faible épaisseur: on réalisera un puits à drains rayonnants, figure 112. B) Puits à faible productivité, réalisé à la main et permettant d'atteindre de grandes profondeurs, figure 113. La contamination de l'eau des puits sera traitée plus bas.

Les tranchées

Le captage de sources naturelles se fait de plus en plus souvent par des tranchées drainantes qui sont extrêmement fréquentes en Suisse. Sur la base d'indices de surface, on creuse une tranchée dans la direction des lignes de courants supposées. Dès que l'on a obtenu un débit suffisant, on équipera cette tranchée d'un drain et d'un massif filtrant. L'eau sera alors dirigée vers une chambre de jaugeage en prenant bien soin d'éviter toute contamination, figure 114. I1 existe des tranchées drainantes de très grande longueur (plusieurs kilomètres) qui sont conçues pour amener l'eau d'un aquifère poreux, gravitairement en surface. On les appelle généralement des foggaras. Leur entretien est très fastidieux car il s'agit de drainer l'eau dans la zone saturée puis de la conserver dans la tranchée ouverte jusqu'à l'air libre (attention aux pertes).