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  Journées du patrimoine

LA CHRONIQUE DE « Doc Carbur » N° 16
Histoire d'eau.

 

1. D’où vient l’eau sur Terre ?

a) La formation de l’eau dans le système solaire

Il y a de cela environ 4.5 milliards d’années commençait la formation de notre système solaire (soleil et planètes) à partir de l’effondrement gravitationnel d’un nuage de gaz et de poussières. Pour résumer, chacun des atomes le composant s’est rapproché de ceux avec qui il avait des affinités et les poussières, de leur côté, se sont collées les unes aux autres pour former des grumeaux de plus en plus gros.

Dans le mélange de gaz, les éléments les plus nombreux étaient, l’hydrogène, l’hélium et l’oxygène. C’est la formation du soleil et des grosses planètes géantes gazeuses qui a absorbé la majorité de ce gaz. En effet, le soleil est composé de 75% d’hydrogène et de 25% d’hélium quant à Jupiter et Saturne, elles sont composées d'environ 90 % de ces deux gaz.

Mais heureusement pour nous, pauvres spéléos, il en est resté un peu. L’oxygène libre s’est alors associé (entre autres) à de l’hydrogène pour former des molécules H2O c'est-à-dire de l’eau ! Pendant ce temps, les poussières sont devenues des petits cailloux, puis des rochers, puis des astéroïdes, puis de petites planètes (appelés planétésimaux). Mais, si étonnant que cela puisse paraître, la quantité d’eau formée n’a pas été négligeable puisqu’elle était plusieurs fois supérieure à celle des matières rocheuses.

 

b. Arrivée de l’eau sur Terre

Les petits cailloux les plus chanceux sont donc devenus, à force de se percuter et de se coller les uns aux autres, des planètes pendant que les autres ne trouvant personne pour s’apparier sont restés à tourner dans le système (comètes, astéroïdes). Les planètes les plus proches du soleil n’ont a pas pu garder d’eau à cause de la chaleur et du rayonnement qui ont soufflé les gaz au loin.

Mais plus loin, la où la température était beaucoup plus basse, l’eau a pu se former et à même gelé sur place. Le réservoir d’eau de notre système s’était donc mis en place : c’était une sorte de ronde de glaçons géants qui tournait autour du soleil au-delà de ce que les astronomes appellent « la ligne de glace » (à plusieurs centaines de millions de kilomètres du soleil). Restait à transporter cette eau jusque sur notre globe qui, au départ, était lui aussi sec et brûlant. C’est là que les avis des astrophysiciens divergent et que l’on envisage plusieurs hypothèses pas forcément contradictoires d’ailleurs.

Au début, d’énormes astéroïdes, les planétésimaux, viennent percuter le Terre en formation. Leur masse contient de l’eau qui s’incorpore au sol terrestre mais, celui-ci étant partiellement en fusion, elle ne peut se fixer et est en grande partie expulsée dans l’espace. Ensuite un autre corps céleste bien plus gros encore (peut-être de la taille de Mars) va percuter la Terre et en arracher un gros morceau qui en se recomposant formera la Lune. Si une atmosphère et de l’eau était présents à ce moment-là, il est certain que tout a été pulvérisé à nouveau ! En gros tout est à refaire…

Après cet épisode, les candidats les plus sérieux à l’arrosage ont donc été les comètes de la ceinture de Kuiper orbitant du côté de Pluton, le nuage d’Oort étant bien plus lointain. Pour savoir d’où vient l’eau il suffit, en théorie d’analyser la composition de l’eau terrestre et de la comparer à celle de l’eau contenue dans les comètes ou les astéroïdes. Sauf que si c’est assez simple d’analyser l’eau de nos océans, aller chercher un peu d’eau dans l’espace sur un corps en mouvement l’est nettement moins.

On connaît assez bien maintenant la composition de l’eau glacée cométaire de la ceinture de Kuiper et du nuage d’Oort. Hélas leur son rapport entre le Deutérium (une variante -ou isotope- de l’hydrogène avec un neutron en plus dans le noyau) et l’Hydrogène colle rarement avec celui de notre eau. C’est donc vers les astéroïdes lointains du type chondrites carbonées que l’on se tourne maintenant car les météorites proches qui orbitent entre mars et Jupiter sont trop sèches.

Mais rien n’est encore arrêté et, si on attend avec impatience les toutes dernières analyses que la sonde Rosetta a faites sur la comète Tchouri, il n’est pas dit que cela apporte une solution simple au problème. En tout cas si une faible partie de l’eau terrestre a bien été dégagée de notre manteau rocheux par les volcans, l’immense majorité a une origine extra-terrestre : comètes, astéroïdes ou même planètes naines riches en eau qui sont venus percuter la terre et s’y sont incorporés. Entre bataille de boules de neige sale et bombardement d'éponges, le cœur des scientifiques balance encore...


2. Répartition de l’eau terrestre.

Au vu de ce que nous disions au chapitre précédent, et comme le Terre est énorme (40 075 km de circonférence) il peut sembler étonnant que toute l’eau ait pu venir du ciel. Et pourtant il n’y a pas tant d’eau que ça sur la planète bleue. Par exemple, le fer et le nickel forment 30% de la masse terrestre alors que l’eau des océans n’en représente qu’à peine 0.02% et comme on peut estimer environ à la même quantité l’eau enfouie dans le manteau, on arrive alors à un total de moins de ½ % de la masse totale de notre globe. Il aurait donc suffi de quelques planètes naines hydratées de 1000 km de diamètre pour apporter à la Terre toute son eau.

a. Beaucoup d’eau salée et peu d’eau douce

Dans l’introduction nous avons considéré l’eau des mers et océans pour estimer la masse d’eau terrestre, donc uniquement de l’eau salée. Mais l’eau douce alors me direz-vous ?

Bien qu’elle nous soit vitale, l’eau douce ne représente qu’environ 3% de la masse d’eau liquide pour 97% d’eau salée. Voilà pourquoi nous l’avions négligée jusque là (3% de 0.02% ça ne va pas chercher bien loin). C’est pourtant d’elle que nous parlerons par la suite et surtout de l’eau douce qui est enfouie ou qui circule sous terre et qui ne représente que 0.8% du total. Amusons-nous donc un peu à calculer le pourcentage d’eau terrestre qui est de l’eau douce souterraine (celle qui intéresse les hydrogéologues) par rapport à la masse totale de notre globe : 0.8 * 0.02 / 100 = 0,00016 % de la masse terrestre.

Évidemment si on regarde le volume de cette eau cela fait donc 0.8% du volume d’eau terrestre total soit un peu plus de 10 millions de km3 d’eau. Ce qui représente une sphère d’environ 270 km de diamètre ou 850 km de circonférence. Ouf, c’est tout de même une sacrée grosse goutte et vu comme ça on se sent déjà mieux !

Pour en terminer avec l’eau douce, il faut ajouter qu’il y en a aussi sous forme de vapeur dans l’atmosphère à raison de 0.04% de l’eau douce totale et dans les glaces et la neige pour 1.7% (actuellement en diminution). Précisons aussi que cette répartition de l’eau est basée sur des estimations difficiles à évaluer avec précision et qu’elle peut donc varier sensiblement d’une source documentaire à l’autre.

b. Une frontière fluctuante

La frontière entre eau douce et eau salée n’est pas aussi stricte qu’il y paraît. En surface tout d’abord, dans les zones d’embouchure des fleuves, les courants, les vents et les marées délimitent une zone de mélange des eaux qui est alors saumâtre. Cette eau dont la salinité est inférieure à la moyenne de l’eau de mer se retrouve aussi dans certaines zones côtières (mer Baltique, golfe de Finlande), en mer Caspienne, mais aussi dans les zones où débouchent des sources sous-marines d’eau douce (nous en reparlerons au chapitre 3).

Mais il arrive aussi malheureusement pour l’homme que dans les zones côtières l’eau salée s’infiltre dans le sous-sol sur de grandes distances pour peu que les roches côtières soient perméables donc aquifères. Cette eau salée étant plus dense (plus lourde à cause du sel dissous) que l’eau douce, elle passe au-dessous mais à l’état normal cette limite entre les deux parties est statique et ne dépend que des configurations du terrain ou des marées : elle n’occasionne donc aucune gène. Par contre si un pompage important de l’eau douce a lieu dans ces zones pour l’irrigation des cultures, alors la place libérée par l’eau douce manquante va être envahie par l’eau de mer. À ce moment là, le niveau de l’eau salée va remonter et finir par contaminer les puits qui deviendront alors inutilisables.

c. Eau de surface et eau souterraine

Stricto sensu l’eu de surface et l’eau souterraine sont une seule et même eau issue à un moment donné, et dans un passé plus un moins lointain, des précipitations. Cela étant, on les étudie généralement de deux façons distinctes, par l’hydrologie en surface et l’hydrogéologie pour les eaux souterraines, car elles présentent des aspects bien spécifiques (circulation, composition, vulnérabilité, accessibilité, durabilité). Ici, nous nous consacrerons essentiellement à l’eau souterraine qui est celle qui nous préoccupe en tant que spéléologues et amateurs de géologie. Avant de passer sous terre, il nous faut dire un mot des échanges entre la surface et les profondeurs qui sont une étape parfois négligée quand on présente le cycle de l’eau à des enfants d’école élémentaire.

De l’atmosphère au sol le passage se fait par les précipitations : pluie, grêle, neige : ce n’est pas le sujet de cet article. Une fois au sol l’eau va se séparer en trois composantes : une partie va s’évaporer, une partie va ruisseler et une autre va s’infiltrer dans le sol. La répartition des ces trois phénomènes va dépendre de la température, de la nature du sol et de la quantité d’eau reçue dans un temps donné. S’il y a peu d’eau sur un sol imperméable et chaud, toute l’eau va s’évaporer, s’il y en a beaucoup plus alors elle va ruisseler quasiment en totalité : c’est la cause principale des grosses inondations d’automne dans le sud de la France où, lors des épisodes dits « Cévenols », de très grosses quantités d’eau tombent en peu de temps sur un sol pourtant perméable mais rendu difficilement pénétrable par sa sécheresse et par l’urbanisation (goudron, béton, toitures).

En cas de précipitation modérée sur un sol géologiquement perméables (humus pauvre en argile, limons, sables, calcaires fracturés etc.) la majeure partie de l’eau va s’infiltrer rapidement dans le sol. Elle va y entraîner tout ce qu’elle a pu dissoudre au passage, composés organiques et minéraux et bien entendu produits plus ou moins polluants si le sol en contient (sels, engrais, désherbants, hydrocarbures, matières fécales etc.). Nous reviendrons plus loin sur le devenir de cette eau désormais souterraine, ajoutons simplement ici qu’elle finira toujours par ressortir en quelques heures ou en plusieurs siècles au niveau des sources, des exsurgences, des puits, des forages et bien entendu, ne l’oublions pas, par l’évapotranspiration de tous les végétaux. Sa composition aura alors plus ou moins évolué suivant la durée de son passage sous terre et les couches géologiques qu’elle a traversé.

3. Les eaux souterraines en France.

a. Eaux chaudes et thermales

 

 

Plus on s’enfonce sous terre, plus la température augmente car on s’approche de la zone où le manteau entre en fusion (entre 50 et 100 km de profondeur). C’est pour cela que la température est élevée dans les galeries profondes des mines : il fait par exemple 68°C dans une mine d’or du Brésil vers 1800 m de profondeur. Pour cette même raison, les eaux d’infiltrations qui arrivent à descendre suffisamment bas où qui longent des zones volcaniques actives où les poches de magma peuvent être relativement proches de la surface. L’augmentation moyenne de température de l’eau, en région non karstique et non volcanique, est d’environ 3.3°C tous les 100 mètres.

Plusieurs phénomènes en découlent, si la pression et des failles permettent à cette eau de remonter assez rapidement sans avoir le temps de refroidir, elle arrive donc chaude en surface et peut même occasionner des geysers comme ceux très célèbres du parc de Yellowstone aux USA ou d’Islande. Dans son parcours souterrain, cette eau chaude a le plus souvent récupéré nombre d’éléments au contact des roches qu’elle a traversé car sa température augmente ses capacités de dissolution : oligo-éléments, sels minéraux, micro-organismes, gaz. Bien souvent la composition de cette eau la rend impropre à la consommation courante mais lui donne des vertus thérapeutiques si elle est utilisée à bon escient.

Parfois les conséquences sont plus dramatiques car le mélange d’eau et de magma en fusion peut déclencher une forte évaporation de l’eau en ébullition qui va entraîner une éruption volcanique dite « phréatique ». Cette éruption peut aussi être explosive à cause de la pression violente et pulvériser le volcan en projetant de grandes quantités de matières dans l’atmosphère. Les éruptions meurtrières de l’Etna de 1843 et 1979, celle du volcan Islandais Eyjafjöll en 2010 et la destruction de Pompéi par le Vésuve en 79 sont liés à des phénomènes d’éruptions phréatiques.

 

b. Les nappes phréatiques

Les commentateurs de télévision parlent souvent de la nappe phréatique, surtout l’été en période de sécheresse et parfois même à tort dans les régions calcaires quand il faudrait parler d’aquifère karstique (nous y reviendrons). De quoi s’agit-il ?

C’est un géologue français Gabriel Auguste DAUBREE (1814-1896) qui en 1887 utilisa ce mot pour désigner une couche imprégnée d’eau à faible profondeur et que l’on atteint en creusant des puits. Le mot phréatique vient du grec « phréar » (f??a?) qui désigne un puits. Mais le terme de nappe, s’il évoque bien une zone étendue laisserait penser qu’elle est horizontale, ce qui est rarement le cas puisque sa surface dite « piézométrique » peut être à la fois inclinée dans le sens de son écoulement et de hauteur variable.

Mais tout ce ci n’est pas une règle absolue : il existe des nappes d’eau statique prisonnière en profondeur entre des couches imperméables et donc sous pression, on les appelle des nappes captives. Quand celles-ci sont perforées, l’eau va en jaillir naturellement sans avoir recours à un pompage : on dira alors que le puits est artésien. De plus des nappes phréatiques et des nappes captives peuvent se superposer sous une même région géographique. Elles peuvent même parfois communiquer les unes avec les autres et échanger une partie de leur eau. C’est le cas dans les grands bassins sédimentaires en forme de cuvette où une nappe phréatique de surface (quelques mètres à quelques dizaines de mètres) peut surmonter une ou plusieurs nappes captives profondes situées de 100 m à plusieurs kilomètres de profondeur. En France cette situation se retrouve dans le Bassin Parisien où la nappe sédimentaire de l’ère tertiaire surmonte celle de la craie (Crétacé supérieur) puis celle de l’Albien (Crétacé inférieur) et enfin plusieurs aquifères du Jurassique de type karstique profond (> 1000 m).

c. Eau vieille ou eau jeune ?

Suivant la profondeur de la nappe et la composition des terrains qui la recouvrent sa recharge en eau peut varier de quelques semaines à plusieurs années. Seules les régions karstiques voient leur zone noyée se remplir en un temps record de quelques heures et nous expliqueront pourquoi au chapitre 4.

Ailleurs, plus la nappe est profonde plus l’origine de son eau est lointaine. Du coup certaines nappes sont sensibles aux variations de précipitations saisonnières alors que d’autres contiennent de l’eau qui est si ancienne que seuls les hommes de la préhistoire ont vu la pluie qui est à leur origine. Sous Paris, la nappe d’eau dite des « sables verts » du Crétacé est âgée d’au moins 40 000 ans, l’eau du Jurassique qui est au-dessous doit être encore plus âgée. Comme quoi il n’y a pas que le vin qui se conserve en vieillissant !

De l’eau ancienne existe aussi sous les déserts actuels : en Afrique du nord le climat n’a pas toujours été aride et dans un passé lointain la pluie y était bien plus fréquente et la végétation bien plus dense. Sous les sables du Sahara existe une énorme nappe dite « fossile » de plus de 30 000 milliards de m3. Hélas cette eau préhistorique ne se renouvelle que très faiblement et en tout cas bien moins vite que ce qui est extrait des pompages réalisés par des milliers de forages. Du coup le niveau de cette nappe ne cesse de baisser. Il a perdu 25 à 50 mètres en 50 ans suivant les endroits, entrainant un tarissement de certaines sources et puits de même qu’une baisse de la qualité de l’eau dont la salinité augmente. À long terme cette nappe semble condamnée si des moyens de gestion et surtout de substitution efficaces ne sont pas rapidement mis en œuvre : la désalinisation de l’eau de mer est une piste qui n’est hélas pas exempte de problèmes écologiques (besoins en énergie, rejets salins concentrés polluants).

d. Trouver et utiliser de l’eau souterraine

L’eau est vitale, l’homme est perpétuellement à sa recherche pour boire, se laver, assainir, produire de l’électricité, fabriquer, cultiver ou même inonder la planète de Coca-Cola©. La découverte et l’exploitation des ressources en eau est donc un problème primordial surtout dans les régions du monde où les précipitations sont faibles.

Dans un premier temps l’homme n’a utilisé que l’eau de surface ou s’est contenté de recueillir l’eau souterraine à la source. Des puits très anciens ont été datés en Mésopotamie de plus de 5000 ans, de 8000 ans en Israël et on a découvert en 2009 à Chypre un puits cylindrique de 5 mètres qui a été construit il y a 10.500 ans. Mais il ne s’agit pas là de la plus ancienne récupération d’eau souterraine par l’homme : dès le néolithique de 2500 à 4000 ans avant notre ère, les hommes vivant dans les régions calcaires karstiques recueillaient l’eau qui s’écoulait goutte à goutte dans les grottes en plaçant des dolias (vases en terre cuite) sous les concrétions.

Si une des plus extraordinaires découvertes souterraine est maintenant accessible au grand public c’est justement suite à une volonté d’exploiter l’eau souterraine. Dans le massif pyrénéen de la Pierre-Saint-Martin (commune de Sainte-Engrâce) au début des années 50 des spéléologues (dont Cosyns, Loubens, Casteret, Lépineux, Tazieff, Delteil, Occhialini, Moreau, le docteur Mairey, Theodor…) explorent un nouveau gouffre qui va devenir au fil des ans le plus profond du monde. En 1953 est découverte la salle de la Verna aux dimensions gigantesques (245 mètres de diamètre pour 194 mètres de hauteur) où la rivière se perd à -734 m après un parcours de 3,5 km. De 1955 à 1960 un grand projet de captage de la rivière pour produire de l’hydroélectricité est lancé par EDF et un long tunnel d’accès à la salle est entrepris à flanc de montagne. Il permettra de découvrir par hasard le réseau d’Arphidia qu’il recoupe, mais aussi à partir de 2010 aux touristes d’accéder à cette salle mythique. Le projet électrique quant à lui avait été abandonné depuis longtemps.

Mais les spéléologues ne sont pas les seuls acteurs de la recherche de l’eau souterraine, loin s’en faut. C’est essentiellement le domaine des hydrogéologues qui, grâce à une connaissance approfondie des terrains sur lesquels ils travaillent et à des forages, sondages et pompages, découvrent et cartographient les réserves en eau qui sont sous nos pieds. Il ne faut pas s’étonner si certains hydrogéologues de métier sont aussi spéléologues de passion ou si des missions conjointes réunissent parfois les deux mondes. C’est le cas par exemple à l’occasion d’opérations de traçages qui consistent à verser un colorant inoffensif dans un écoulement souterrain (ruisseau ou rivière) et chercher à retrouver sa trace afin de délimiter son parcours et la durée de celui-ci. Ces données nous informent sur les délimitations des bassins versants des exsurgences et améliorent notre connaissance des ressources en eau dans les zones karstiques.

Enfin il semble difficile de passer sous silence l’activité des sourciers vieille de plusieurs siècles et mise en exergue dans le film de Marcel Pagnol sorti en 1952 : « Manon des sources » qui donnera en 1963 son double roman intitulé « L’eau des collines » mais dont la version la plus connue est celle de Claude Berri, sorti en 1986. Il semble que les premiers sourciers armés d’une petite fourche de noisetier (coudrier) ont commencé à se répandre en Europe vers le XVe siècle et ont perduré malgré la condamnation de l’église même s’il en reste peu aujourd’hui par rapport au XIXe. Si cette technique a encore des adeptes, elle n’a jamais pu démontrer son efficacité de façon expérimentale et rigoureuse. Pour découvrir de l’eau souterraine, rien ne vaut une jolie coupe stratigraphique, un spécialiste en géophysique ou un spéléo et un bon trépan !


4. Les aquifères karstiques

a. Qu’est-ce qu’un karst ?


Quelques paysages karstiques :
massif de la PSM, cirque du Boundoulaou, gorges et cascade de Kakuetta, salle Edmond Millau à la Leicasse, Larzac méridional (le Rocas).

Le mot allemand « karst » a été calqué sur celui d’une zone de hauts-plateaux calcaires (région du Carso ou Kras) qui se situe à cheval sur l'Italie, la Slovénie et la Croatie et où on retrouve un type de paysage particulier issu de l’action de l’érosion et en particulier de l’eau sur la principale roche sédimentaire qu’est le calcaire. Le karst est donc une forme de paysage comprenant des dolines, des affleurements de roche calcaire érodée, des cavités (grottes, avens), des reliefs ruiniformes, des lapiaz (ou lapié / lapiez / lapiès), souvent la zone souterraine du karst stocke de l’eau et draine des écoulements vers les exsurgences ou résurgences.

Sans sortir de nos frontières, on peut rencontrer un relief de type karstique dans de nombreuses régions françaises et en particulier sur les Grands Causses (Larzac, Causse Noir, Causse Méjean), dans les garrigues nord-montpelliéraines et les causses du Quercy ; mais aussi des karsts de montagne comme le désert de Platé et le massif du Vercors dans les Alpes ou les massifs de la Pierre Saint-Martin, les arres d’Anie ou les Arbailles dans les Pyrénées, pour ne citer que les plus connus. Les calcaires de ces karsts datent généralement des deux ères Crétacé et Jurassique de -65 à -200 Ma (millions d’années), et même s’il existe des zones sédimentaires karstifiées encore plus anciennes, quasiment toutes n’ont vu leurs formations rocheuses altérées et modifiées que bien plus récemment.

Autour de la Méditerranée, on peut situer le début de la formation des grands réseaux karstiques au moment où la mer a été isolée à cause de la fermeture progressive du détroit de Gibraltar et s’est fortement évaporée, son niveau perdant alors près de 1500m (crise de salinité Messinienne) : c’était autour de -5,5 Ma (Plio-Miocène). D’énormes canyons se sont alors formés et l’eau a pu s’enfoncer dans les profondeurs des calcaires puisque le niveau des exutoires (sources) a considérablement baissé. Evidemment le phénomène d’érosion des calcaires avait commencé bien avant, dès que ceux-ci ont été fracturés et rendus perméables par d’innombrables fissures liées aux phénomènes tectoniques de plissement, par exemple lors de la surrection des Pyrénées il y a 40 Ma.

Par contre il existe dans d’autres régions du monde des cavités très anciennes dans des calcaires de l’ère primaire (Carbonifère) comme la grotte de Jenolan en Australie dont l'âge aurait été estimé en 2006 à 340 millions d'années par analyse de ses argiles internes. Mais gardons-nous bien de généraliser, dans l’immense majorité des cas le karst c’est le contraire des pétroliers : dans un pétrolier, l’emballage même s’il est tout rouillé et prêt à couler n’a que quelques décennies alors que le pétrole qu’il contient a des millions d’années, tandis que dans un karst la roche encaissante est généralement bien plus vieille que les galeries qu’elle renferme quant aux concrétions elles sont plus récentes encore (voir le point d.).


b. Formation et évolution d’un aquifère karstique.

Voici la définition que donne Jacques CHOPPY d’un aquifère karstique : « Un aquifère karstique est l’ensemble des roches karstifiables dans et sur lesquelles circulent des eaux tributaires d’une émergence karstique ou de plusieurs émergences interconnectées. » En gros c’est du calcaire dont les trous sont pleins d’eau qui finit par s’écouler vers une ou plusieurs sources. L’aquifère karstique est généralement composé de deux zones : la zone supérieure qui assure l’infiltration verticale de l’eau de pluie et une zone sous-jacente saturée donc noyée comprenant un ensemble de cavités qui assurent le stockage de l’eau et des conduits qui permettent son écoulement vers la (ou les) émergence(s). En dehors de zones totalement déconnectées des réseaux actifs (aux cavités dites fossiles) il arrive qu’en cas de très forte surcharge (pluies très abondantes) la zone supérieure puisse se trouver elle aussi temporairement envahie par l’eau, alors des conduits bien au-dessus du niveau habituel d’écoulement se remplissent : cette « mise en charge » peut parfois se faire sur plusieurs centaines de mètres de dénivellation. Certains karst dits « sous couverture » sont invisibles en surface car recouverts d’une couche géologique plus ou moins perméable, leur fonctionnement et leur aspect peut donc être bien différent.

L’eau que l’on retrouve au sein d’un aquifère karstique peut avoir trois origines. La principale est l’eau des précipitations (pluie ou neige) qui a infiltré le sous-sol par le réseau de fentes du karst. La seconde est de l’eau de surface qui après un parcours plus ou moins long à l’air libre (ruisseau, rivière) a pénétré sous terre par une perte partielle ou totale du débit dans le lit de ce cours d’eau (pertes de la Vis au Moulin de Larcy à Alzon, Gard) ou par l’enfouissement par un porche de la totalité du cours d’eau dans une cavité souterraine (perte du Bonheur, Bramabiau, Gard). La troisième est l’eau de condensation qui suinte sur les parois et les concrétions des vides souterrains, bien que minoritaire la plupart du temps, c’est à l’étiage ou sous climat aride qu’elle prend toute son importance assurant dans certaines cavités un débit minimal.

Un aquifère karstique est en perpétuelle évolution et sa formation est longue, le passage de fentes infimes à des conduits à taille humaine peut durer des millénaires voire des centaines de milliers d’années et dépend de la charge hydraulique c'est-à-dire, pour simplifier, de la quantité d’eau disponible en période de crue et de la pente souterraine vers la source. C’est donc dans la partie supérieure non ennoyée que l’évolution de l’aquifère est la plus rapide (voir section suivante c.). Quand on cherche à connaître l’évolution d’un aquifère karstique actuel pour comprendre ce qui a permis sa formation par le passé, la tâche est complexe.

Sans entrer dans les détails essayons de dégager quelques grands principes. Le nombre de facteurs qui agissent sur l’évolution d’un karst sont nombreux : climat, volume et nature des précipitations, densité de la couverture végétale, nature de la roche encaissante, fracturation et mouvements tectoniques, variation du niveau de la mer (niveau de base) etc. En résumé une eau abondante et agressive (acide) va dans un premier temps élargir un réseau de fentes ; ce phénomène sera d’autant plus efficace que l’eau pourra être ensuite drainée rapidement en profondeur vers un exutoire : pour que ça fonctionne, il faut que ça puisse s’évacuer ! Lorsque le niveau des sources descend, suite à un approfondissement des vallées dû à l’érosion et à la baisse du niveau de la mer (période de glaciation par exemple), alors de nouvelles galeries peuvent se creuser plus en profondeur et les réseaux s’enfoncent par étages successifs grâce à l’accroissement de la charge hydraulique. Au contraire quand le niveau de la mer remonte (réchauffement climatique), certaines sources se retrouvent sous le niveau de la mer (voir section e.) et les parties les plus basses de certains réseaux se remplissent d’eau, parfois saumâtre en bordure littorale. La cause en est l’impossibilité d’évacuation de l’eau douce vers l’aval par remontée de la surface piézométrique (niveau de la mer), au-dessous s’est d’ailleurs formée une zone de contact entre eau salée plus dense au-dessous et eau douce au-dessus appelée surface halocline. Cet ennoyage des galeries profondes est à l’origine de nombreux phénomènes de sources vauclusiennes dans le sud de la France.

c. Action de l’eau souterraine en région calcaire.

Deux phénomènes différents produisent l’élargissement du réseau de fentes d’un aquifère karstique, l’un est chimique et l’autre mécanique.

• La dissolution est un phénomène chimique, certains d’entre vous se souviennent peut-être de cette expérience simple faite à l’école ou au collège et consistant à verser un peu d’acide chlorhydrique sur un morceau de craie à tableau : dégagement de bulles et un gros trou dans la craie ! Très grossièrement et en bien moins rapide c’est ce qui se passe quand l’eau entre en contact avec le calcaire. Evidemment l’eau de pluie, si elle n’est pas gravement polluée, n’est pas acide en temps normal et elle ne le deviendra qu’en traversant les premières couches de terre et d’humus, d’où l’importance du couvert végétal qui va la charger en CO2 et permettre la réaction suivante :

CaCO3 + CO2 + H20 < > CaCO3 + H2CO3 < > (HCO3-)2 Ca++

C'est-à-dire que l’eau et le gaz carbonique donnent de l’acide carbonique qui agit sur le carbonate de calcium (calcaire) pour former du bicarbonate de calcium généralement dissous dans l’eau résiduelle. Le rôle de l’acide chlorhydrique de l’expérience est tenu ici par l’acide carbonique, certes bien moins puissant, mais qui a tout son temps contrairement à votre professeur de sciences et sa séance de 45 minutes.

• L’érosion est par contre un phénomène mécanique, c’est l’usure de la roche par le contact répété de parties dures entrainées par le courant. L’eau seule n’a pas d’action érosive dans les circulations souterraines mais si elle emporte lors des crues du limon, des graviers, des cailloux, tous ces artefacts vont rogner les parois. Les spéléologues aperçoivent souvent lors de leurs progressions de superbes marmites d’érosion, dont certaines parfois, au sol de la galerie, ont encore le galet poli qui en tournant à l’intérieur leur a donné naissance.

Mais l’action de l’eau souterraine ne se résume pas au creusement et à l’élargissement du réseau de failles d’un aquifère karstique. Quand les galeries supérieures sont abandonnées par l’écoulement actif qui s’est enfoncé ou a été capturé plus bas par une perte ou une faille, l’eau qui goutte au plafond des vides souterrains va lentement défaire tout ce qu’elle a mis des millénaires à fabriquer. Pour l’illustrer il suffit de penser à une expérience quotidienne que tous les amateurs de tisane pratiquent dans leur cuisine en région calcaire : faire bouillir de l’eau et constater, une fois les dernières gouttes évaporées de la casserole, le dépôt de poudre blanche sur les parois. Et qui n’a jamais pesté dans les mêmes régions après les brise-jets de robinets sans arrêt bouchés, la vanne de la chasse d’eau qui ne veut plus se fermer ou le cumulus qui se remplit de pierre ! Ceux qui ont un adoucisseur d’eau ne pouvant pas comprendre, je vais donc m’adresser aux autres…

Ce phénomène, inverse du creusement des galeries, c’est leur obturation progressive par concrétionnement. Si vous avez bien observé la formule chimique ci-dessus, vous aurez remarqué qu’elle fonctionne dans les deux sens (doubles flèches), en effet l’acide carbonique est un composé instable. Du coup l’eau chargée de calcaire dissous, en s’évaporant au contact de l’air des galeries, va dégager du CO2 et déposer son carbonate de calcium fabriquant ainsi les superbes concrétions que les guides montrent aux touristes à longueur d’année dans les grottes visitables. Ce faisant, elle va augmenter sensiblement le taux de gaz carbonique de l’atmosphère souterraine tout en colmatant progressivement salles et galeries. Même si elles sont parfois superbes, les concrétions de calcite et d’aragonite (du calcaire brut nettoyé de son argile et remis en ordre !) sont donc l’ennemi N°1 du spéléologue d’exploration car elles entravent sa marche vers la découverte que ni les lacs, ni les puits, ni les siphons n’arrêtent aussi facilement. Pour terminer par une anecdote et consoler tous ceux qui se battent chez eux à coup d’acide chlorhydrique contre l’envahissement du calcaire, il faut savoir qu’à l’époque des peintures et des carburants au plomb, une maladie (le saturnisme ou empoisonnement au plomb) a parfois sévi dans certains foyers aggravée par les tuyauteries d’eau courante elles aussi fabriquées en plomb. Mais dans les régions où l’eau est bourrée de carbonate de calcium dissous, les tuyaux sont rapidement recouverts à l’intérieur d’une couche de calcaire qui isole le plomb de l’eau que vous buvez : toujours ça de moins à avaler !

d. L’eau des grottes est-elle pure ?

Tous les spéléos savent bien qu’il vaut mieux faire suivre une petite bouteille d’eau dans son kit-bag que de boire l’eau des gours. En effet, contrairement à des zones où le sol est alluvionnaire sur de fortes épaisseurs et qui épure relativement bien l’eau d’infiltration, le karst n’est qu’une vulgaire passoire à travers laquelle l’eau transite très rapidement. De ce fait tout ce que l’eau a pu récupérer en surface ou en traversant le sol se retrouve en quasi-totalité dans sa composition et hélas, bien souvent, elle ne se charge pas uniquement de gaz carbonique. Suivant les activités humaines au-dessus de l’aquifère, l’eau peut récupérer des hydrocarbures, des matières en décomposition, des rejets de stations d’épuration ou de fosses septiques, des engrais, des produits phytosanitaires…

Longtemps au fil des siècles, sur les Causses, les avens ont servi de dépotoir. Si les plus anciens sont une aubaine pour les archéologues qui peuvent y retrouver des restes de matériel ou de nourriture, plus tard ce sont souvent les animaux morts dans les troupeaux que les bergers ou les fermiers jetaient dans les trous pour s’en débarrasser. Édouard Alfred Martel sera le premier au XIXe siècle à vraiment réussir la démonstration des liens étroits entre les cavités naturelles karstiques et l’eau des sources environnantes. C’est en 1891 suite à une intoxication contractée dans le Lot après avoir bu de l’eau contaminée par un cadavre d’animal abandonné au fond d’un aven, qu’il commence sa croisade contre la pollution des eaux karstiques. Dans « Les abîmes » qu’il publie en 1894 il relate cette anecdote dans le chapitre XV sur le « Causse de Gramat » à la page 340 et il écrit qu’après avoir « bu avidement à la source pure, mais perfide, de Graudenc, sans réfléchir que, quelques minutes auparavant nous avions vu, au fond de la Berrie, une carcasse de veau en décomposition, gisant au beau milieu du ruisseau souterrain » il fut « indisposé pendant plus de deux mois ». Il précise au chapitre XXXII sur « Les sources », page 554 que « quand un ruisseau souterrain traverse le fond d’un gouffre ou s’en approche, il peut arriver que l’eau (courante ou d’infiltration) délavant ces cadavres, devienne le véhicule de leur décomposition et parvienne dangereusement souillée à la source où elle voit le jour. Il est absolument nécessaire que les pouvoirs publics et une législation spéciale mettent fin à une pratique aussi pernicieuse ».

C’est l'article 28 de la loi relative à la santé publique du 15 février 1902 interdisant le jet de cadavres d'animaux et de détritus putrescibles dans les cavités qui est connu sous le nom de loi Martel. Depuis, cette loi a été modifiée de nombreuses fois, mais on peut considérer qu’elle est à l’origine des zones et des règles de protection qui entourent les captages actuels. Désormais dans le sud de la France des centaines de milliers de personnes reçoivent de l’eau d’origine karstique de qualité à leur robinet (voir point f.) D’ailleurs une eau d’aquifère karstique de qualité peut abriter de la vie : mollusques, crustacés, poissons et même en Slovénie un amphibien, le protée, tous spécifiques et adaptés à la vie loin de la lumière.

e. Eau souterraine et sous-marine ?

À la fin des glaciations (la dernière s’est terminée il y a environ 10 000 ans), quand le niveau de l’eau de mer a remonté suite à la fonte des glaces un certain nombre de sources qui étaient avant situées sur la côte ou proche de celle-ci, se sont retrouvées sous le niveau de l’eau. Si leur débit est assez puissant, elles continuent donc à fonctionner et déversent leur eau douce dans les étangs ou dans la mer : c’est de l’eau souterraine qui devient directement sous-marine sans passer par la case « cours d’eau » et donc sans s’évaporer.

Plusieurs dizaines de ces sources ont été recensées sur la côte nord de la Méditerranée, on en trouve aussi beaucoup sur les côtes Libanaises, en Syrie et en Turquie. L’une des plus profondes connues est celle de la calanque de Port-Miou près de Cassis avec un débit moyen de 7 m3/s. En 2012 le plongeur spéléologue Xavier Meniscus y a atteint la profondeur de 223 m, mais l’eau en partie saumâtre ne peut pour l’instant pas être exploitée.

Un autre exemple de tentative d’exploitation complexe est celle de La source de La Vise, aussi appelée, la Bisse ou encore L'Abysse, située au fond d’un cône entre 27 m et 30 m de profondeur dans la partie ouest de l'Etang de Thau au nord de la station thermale de Balaruc-les-Bains (Hérault). Du bord on peut parfois apercevoir en surface un léger bourrelet d’eau plate de plusieurs mètres de diamètre et de quelques décimètres de haut quand la brise recouvre le reste de l’eau salée qui l’entoure de vaguelettes ou le phénomène inverse si le temps est très calme et l’eau de l’étang immobile. En 1967 la source s’est arrêtée de couler pendant plusieurs mois, probablement à cause de forts pompages dans les mines de bauxite de Villeveyrac à une dizaine de kilomètres au nord-ouest. Plus récemment, l’eau d’un des griffons de cette source a été captée par un tube de 50 cm de diamètre pour alimenter une ferme marine expérimentale d’élevage de loups : « Poissons du soleil ». Mais certains problèmes sont apparus, à la fois dans l’étang (envasement à partir du cône d’émergence) et aux alentours. Puis lors de la forte sécheresse de 1993 aggravée par des ponctions importantes à partir des forages du secteur, la récupération de l’eau de la Vise semble avoir accéléré une remontée d’eau marine salée vers les captages d’eau thermale du complexe de Balaruc faisant baisser leur température de 10 à 20°C. Plusieurs campagnes d’études du BRGM ont eté mises en place depuis 1995 afin d’étudier cette zone et l’impact du captage sur le fonctionnement hydrologique de cette zone afin de satisfaire au mieux tous les usagers : habitants des communes proches, acteurs du thermalisme, aquaculteurs, conchyliculteurs, pêcheurs… Les difficultés de cette entreprise montrent combien il est difficile de récupérer les eaux douces à exutoires sous-marins sans modifier l’hydrologie, l’écologie et l’économie locale.

f. Exemples d’utilisation des réserves d’eau en zone karstique

Dans le sud de la France, de nombreuses communes voient leur alimentation en eau potable dépendre des aquifères karstiques du Crétacé et du Jurassique. C’est le cas par exemple dans le département des Alpes-Maritimes de la région d’Antibes, de Cagnes sur Mer et Villeneuve Loubet qui capte une partie de son eau sur des forages artésiens dans le karst profond ; à Millau (Aveyron) la résurgence karstique de l’Espérelle, en aval de la commune de la Roque-Sainte-Marguerite, alimente une grande partie des habitants de ce secteur ; à Brignoles dans le Var une galerie drainante captant les émergences de la source de San Sumian amène l’eau à la ville couplée à d’autres sources issues d’anciennes galeries de mines de bauxite recoupant l’aquifère Jurassique. Citons aussi le captage historique de la source karstique de la fontaine d’Eure, à Uzès, qui permit aux gallo-romains de développer la ville de Nîmes et nous a laissé l’édifice très touristique qu’est l’aqueduc du pont du Gard.

L’exemple français peut-être le plus frappant est celui de la source du Lez à Montpellier dans l’Hérault. Le système karstique de cette source vauclusienne est le plus grand de la région et draine environ 400 km² comprenant entre autres le causse de Viols le Fort-Cazevieille, le massif de la Selette, le massif du Coutach, le Bois de Monnié et le Bois de Paris. Cette zone, très fortement karstifiée, probablement à cause du niveau élevé de CO2 profond et barrée vers le sud par des sédiments récents, bloque une importante réserve d’eau dont a su profiter la ville. La source du Lez jaillit à l’état naturel à 12 km au nord de Montpellier, au pied d’un petit ressaut calcaire, à 65 mètres d’altitude. Son conduit principal a été plongé jusqu’à 162 m de profondeur et sur une distance de 530 m.

À partir des années 60 le captage à la sortie de la source elle-même s’est avéré insuffisant, un forage et des pompes furent alors installées à 500 m en amont et à 80 m de profondeur : depuis 1982 c’est cette station qui assure l’alimentation en eau d’une grande partie de la communauté de communes. Il y est actuellement pompé plus de 40 millions de m3 d’eau par an sans mettre en danger la recharge de l’aquifère. Mais suite à cette installation, la plupart de l’année la source du Lez ne coule plus à cause du rabattement de la nappe de plusieurs dizaines de mètres, il a donc été nécessaire de dévier un débit minimal constant de ce pompage vers le cours d’eau afin de le pérenniser et de sauver son poisson protégé endémique le Chabot du Lez de l'espèce Cottus petiti que l’on ne retrouve nulle part ailleurs.

5. Annexes


a. Bibliographie chronologique

MARTEL Édouard Alfred, Nouveau traité des eaux souterraines, DOIN, Paris, 1921

GÈZE Bernard, Étude hydrogéologique et morphologique de la bordure sud-ouest du Massif central, Annales de l’INA, tome 29, 1937

CASTANY Gilbert, Traité pratique des eaux souterraines, DUNOD, Paris, 1963

SCHOELLER Henri, Les eaux souterraines, MASSON, 1966

BAKALOWICZ Michel, Contribution de la géochimie des eaux à la connaissance de l'aquifère karstique et de la karstification, Thèse Doctorat ès Sciences naturelles, Paris VI, 1979

BODELLE Jacques & MARGAT Jean, L'eau souterraine en France, MASSON, Paris, 1980

C.G.E. Une source dans la ville : ville de Montpellier, vers 1982, Plaquette photographique des plongées Hydrokarst pour l'installation de l'usine souterraine de pompage du Lez.

DUREPAIRE Patrick, Inventaire et étude géologique, hydrologique et géomorphologique détaillés des cavités naturelles du bassin d'alimentation de la source du Lez, Montpellier, C.E.R.G.A. , 1985

GILLI Éric, Eaux et rivières souterraines, vol. 455, Paris, Que sais-je ? PUF, 1995

CASTANY Gilbert, Hydrogéologie : Principes et Méthodes, DUNOD, 1998

Collectif, L’or bleu, in Pour la Science, N°282, avril 2001

CHAUVE Pierre, Des grottes et des sources, BELIN Pour La Science, 2005

DE MARSILY Ghislain (dir.), Les eaux continentales, EDP Sciences, 2006

ROUX Jean-Claude (dir.), Aquifères et eaux souterraines en France, 2 tomes, BRGM éditions, 2006

IDOUX Caroline, L’état de l’eau en France, DELACHAUX et NIESTLÉ, Collection « Changer d’ère », 2007

CHOPPY Jacques, Pourquoi se creusent les grottes, Karstologia-mémoires N°16, 2008

Collectif, L'eau attention fragile, in Pour la Science, N°58, janvier 2008

Collectif, Spécial l’EAU, in La Recherche, N° 421, 2008

LACOSTE Yves, L’eau dans le monde, LAROUSSE, Collection « Petite encyclopédie », 2008

MARGAT Jean et ANDRESSIAN Vazken , L’eau, Le Cavalier Bleu, Collection « Idées reçues », 2008

AUDRA Philippe & Collectif, Grottes et Karst de France, A.F.K., Karstologia-Mémoires N°19, 2010

MARGAT Jean et RUF Thierry, Les eaux souterraines sont-elles éternelles ?, Collection « 20 clés pour comprendre », Éditions QUAE, 2013

JEWITT David et YOUNG Edward, Des océans tombés du ciel, in Pour la science, N° 454, août 2015

b. Iconographie

Tous les dessins humoristiques sont de Erdé, les autres illustrations sont issues de l’encyclopédie Wikipédia. Photographies de D. R. et N. B., montage D. R.

c. Liens Web

http://www.ades.eaufrance.fr/ : Portail d’Accès Aux Données des Eaux Souterraines.

http://eduterre.ens-lyon.fr : Institut Français de l'Éducation (thématiques des sciences de la Terre).

http://www.brgm.fr : Bureau de Recherches Géologiques et Minières.

http://www.hydrosciences.org/ : IRD Hydro-Sciences Montpellier.

http://www.cfh-aih.fr/ : Comité Français d'Hydrogéologie de l'Association Internationale des Hydrogéologues.

http://www.isska.ch/Fr/ : Institut Suisse de Spéléologie et de Karstologie.

http://www.eaufrance.fr/ : Service Public de l’eau

http://www.aquiferes-cotiers.cepralmar.org : les aquifères côtiers.

Doc Carbur 2015

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