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Arrêté - Préfecture - Puy-de-Dôme - 1 i etude hydrogeologiquemod
Document publié le Jeudi 11 mai 2023
Lien du pdf (Arrêté - Préfecture - Puy-de-Dôme - 1 i etude hydrogeologiquemod)
Thèmes du document : Eau et assainissement, Aménagement du territoire, Espaces terrestres et maritimes,
Département du PUY-DE-DOME
MAITRE D'OUVRAGE
SYNDICAT INTERCOMMUNAL
D'ALIMENTATION
EN EAU POTABLE DE
LA BASSE LIMAGNE
MISE EN PLACE DES PERIMETRES DE
PROTECTION AU CAPTAGE D’ARGNAT
COMMUNE DE SAYAT
1- Dossier principal d'enquête
au titre du code de l'environnement
article L.215-13
au titre du code de la santé publique
articles L.1321-2 et L.1321-7
i — Etude hydrogéologique et
environnementale préalable à la mise
en place des périmètres de protection
MHU 96 353 X / 09 04 DECEMBRE 2014
@)egiseau Bceom France Numéro d'ordre : D.U. 1912
Université Blaise Pascal - Clermont-Ferrand IE
(U.FR. de Recherche Scientifique et Technique)
ÉCOLE DOCTORALE DES SCIENCES FONDAMENTALES
N° 602
E THÈSE
HE
ME Ë us Présentée pour obtenir le grade de +,
k ë î É 28 DOCTEUR D'UNIVERSITÉ
< 5 S Ë É Spécialité : Géochimie (Hydrogéologie)
ë Ë par
Guillaume BERTRAND
Diplômé de Master Recherches Physico-Chimie de l’Atmosphère et Climat
De la pluie à l’eau souterraine.
Apport du traçage naturel (ions majeurs, isotopes) à
l’étude du fonctionnement des aquifères volcaniques.
(Bassin d’Argnat, Auvergne, France)
Soutenue publiquement le 26 janvier 2009 devant la commission d'examen composée de :
Y. TRAVI Professeur, Université d’Avignon Président du jury
L. AQUILINA Professeur, Université de Rennes I Rapporteur
F. HUNEAU Maître de Conférences, Université de Bordeaux I Examinateur
M. LIVET Hydrogéologue, CETE Lyon, LRPC Clermont-Fd Examinateur
H. CELLE-JEANTON Maître de Conférences, Université Clermont-Fd Directrice de thèse
P.LAJ Physicien, Université Clermont-Fd Directeur de thèse
G. CHAZOT Professeur, Université de Brest Directeur de thèse Numéro d'ordre : D.U. 1912
Université Blaise Pascal - Clermont-Ferrand II
(UFR. de Recherche Scientifique et Technique)
ÉCOLE DOCTORALE DES SCIENCES FONDAMENTALES
N° 602
THÈSE
Présentée pour obtenir le grade de
DOCTEUR D'UNIVERSITÉ
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par
Guillaume BERTRAND
Diplômé de Master Recherches Physico-Chimie de 1° Atmosphère et Climat
De la pluie à l’eau souterraine.
Apport du traçage naturel (ions majeurs, isotopes) à
l’étude du fonctionnement des aquifères volcaniques.
(Bassin d’Argnat, Auvergne, France)
Soutenue publiquement le 26 janvier 2009 devant la commission d'examen composée de :
Y. TRAVI Professeur, Université d’ Avignon Président du jury
L. AQUILINA Professeur, Université de Rennes I Rapporteur
F. HUNEAU Maître de Conférences, Université de Bordeaux I Examinateur
M. LIVET Hydrogéologue, CETE Lyon, LRPC Clermont-Fd Examinateur
H. CELLE-JEANTON Maître de Conférences, Université Clermont-Fd Directrice de thèse
P. LAJ Physicien, Université Clermont-Fd Directeur de thèse
G. CHAZOT Professeur, Université de Brest Directeur de thèse (7 = }
four Déun. lue ABEANRD à À pouik ALTEAO
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Arruta Len.
ec Pour leur disponibilité et leur efficacité, je remercie Cécile SERGERE, qui m'a évité
beaucoup de soucis administratifs, Véronique GIMENEZ, Mallory FAUGOUX, Phillipe
CACAULT, Sylvaine JOUHANNEL, Marie-Christine MATTOT.
Je voudrais évidemment remercier mes camarades, qui m'ont permis de passer trois années
géniales et de supporter la pression : je les citerais pêle-mêle (je connais leur amour des
contrepétries belges) : Géraldine, Bergrun qui fut bien plus qu’une collègue de bureau et qui
m'a demandé d'arrêter d'être fatigué, Sylvana, Ben, pro du capitaine Pan Pan, le semi-
marathonien Daniel qui a plus d'endurance à la salsa, Kim, Marco, Bikett, Anaïs qui
comprend les contrepétries au mauvais moment et au mauvais endroit, Lydie pour son aide
sur les MNT, Yannou, Sarah, Marion, mes « profs » de terrain Julie, Greg et Nico qui m'ont
appris à reconnaître quelques cailloux, Nico pour les soirées égyptiennes, Mélanie, Hischem,
Audrey, Rémi, Noël Laurence « lejourélanuit » qui m’a fait chanter du karaoké, plonger,
danser et la tête au carré, Marca qui a pimenté ces 3 ans, imbu de sa personne pour compenser
l'indifférence générale, Mathieu de LMV prod, « thésaravantout » qui a permis à cette thèse
de se terminer en happy-end («ah, ah , C'est géniooo! ») Armelle, Aude dont je soupçonne a
fortiori amical mépris, Marius (le nuageologue...(l)), Célio, ma cousine d'adoption, et
Manu, entre autre pour les super vacances à Clap’s, Annabelle, Julie et Céline pour les bons
moments passés aux frères Berthom ou au PtiBiza, Julia, Cynthia, Ahmed, Giacommo,
Laureline, Hervé, Vincent et Paolo. Je n’oublierais pas non plus mon ami Sébastien alias DJ
Kessler, qui, a plus d’un titre m'a aidé durant ces trois années, m’a épaulé bien souvent pour
les sorties terrains dans la Chaîne des Puys, et pour les péripéties que nous avons eu à
Lisbonne (Que olliouch !), à Nancy, à Nice ou à Joyeuses. Merci à Jérôme qui fut un super
associé et que je voudrais vivement remercier pour son travail sur la chimie de la pluie
pendant 6 mois, réalisé avec le sourire dans des conditions parfois difficiles et avec un
acharnement dont je lui suis reconnaissant. Je pense également à Jean-Hub, compagnon de la
dernière ligne droite, qui m'a épaulé durant les semaines de rédaction, notamment pour la
réalisation du schéma conceptuel du bassin d’Argnat, à Aurélien et Delphine qui sont devenu
de véritables amis et auxquels je dois de précieux instants d’écoute et de détente. Je voudrais
aussi témoigner de mon amitié pour tous mes camarades de la natation, grâce auxquels j’ai pu
évacuer mon stress et, je m'en excuse, parfois à leur dépens : Fabien, le coach, Audrey,
Marjo, Blandine, Chacha, Julien, Seb, Sam, Marion... Je pense aussi à Romain, William et
Dimitri (mes lapins), Aurélie, Marjolaine, pour les soirées mémorables et les réveillons sans
fin, et à mes copains de St-Bab° Dom, Audrey, Sylvain... Et bien sûr Phillipe, mon binôme
dans bien des aventures sans but, et le « RIP Hunter Show » dit le « RHS », en tournée dans
toute la France, Benjamin et Yannou, qui n’aiment pas les viennoiseries, que ce soit à Nice, à
Clermont ou à Barcelone, Loren et Vincent, camarades et amis des premières comme des
dernières années de fac.
Cette thèse n’aurait probablement pas pu se réaliser sans l'attention d’Agnès qui a toujours su
trouver les mots pour réamorcer ma motivation dans les moments de doute. Ces quelques
lignes n’exprime que faiblement ma reconnaissance à son égard. Un grand merci à mes
parents et à ma sœur, Maryse, Dominique et Magalie et à mes grands-parents Odette et
Francis qui sont là depuis le début (!) et sans qui j'aurais pu être tenté d'abandonner. Leur
amour, leurs encouragements, leur humour, leur soutien ont sans doute été les plus efficaces des moteurs durant l’ensemble de mes études et même bien au-
delà d’ailleurs. Cette thèse leur est dédiée.
Enfin, je remercie par avance le lecteur, l’étudiant, le chercheur qui se penchera peut-être sur
ces quelques pages, et qui y trouvera, je l’espère, quelque intérêt. SOMMAIRE
INTRODUCTION 5
Chapitre I CONTEXTE DE L’ETUDE ET METHODOLOGIE mn 2]
L.1. Cadre de l’étude : Géographie et contexte environnemental. 12 L1.1. Morphologie générale 2
3 1.1.2. Occupation des sols
L2. Climatologie de l'AUVETYNE seen
1.2.1. Les circulations atmosphériques en Auvergne
1.2.2. Les paramètres hydro-climatiques
=
BND
DIII
RE
L.3. Contexte hydrogéologique..
1.3.1. Cadre géologique ...
13.1.1. Structure et morphologie de la Chaîne des Puys
L3.1.2. Histoire géologique régionale ...
1.3.2. Hydrogéologie de la Chaîne des Puys
1.3.2.1. Caractéristiques hydrogéologiques et chimiques des terrains rencontré:
1.3.2.2. Schéma général de circulation .
1.3.2.3. Définition des 10 bassins hydrogéologiques.
1.4. Approches méthodologiques ...
1.4.1. Stratégie de prélèvements et description des sites de mesures
1.4,1.1. Caractérisation physico-chimique et chimique des précipitations .
1.4.1.2. Etude du fonctionnement hydrogéologique des aquifères volcaniques.
14.2. Méthodologie analytique ....
14.2.1. Analyses physico-chimiques.
1.4.2.2. Analyses chimiques ...
14.23. Analyses des rapports isotopiques (O/O, ?H/'H. $C/?C)
L.4.2.4, Analyses des rapports du strontium (°/Sr/#sr)
Chapitre II LE SIGNAL D’ENTREE DES AQUIFERES DE LA CHAINE DES PUYS... 53
IL. Caractérisation chimique des pluies à Opme .
1.1.1. Acquisition de la minéralisation de la pluie ....
11:1.1.1. Formation des précipitations.
11.1.1.2. Rainout / Washout ...
11.1.13. Origines des masses d'air
11.1.2. Etude de la variabilité de la composition chimique de la pluie ésultats de la campagne de
prélèvements à Opme : « Rainfall chemistry: long range transport versus below cloud scavenging. A two-
year study at an inland station (Opme, France) ».
11.1.2.1. Introduction
11.1.2.2. Methodology.
111.23. Results and discussion.
11,1.2.4. Conclusion
&
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S
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à
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IL.2.1. Caractérisation des pluies à Sayat et implications des résultats obtenus à Opme dans la définition du
signal d'entrée des aquifères de la Chaîne des Puys ... 90
11.2.2. Détermination de la signature isotopique (80, 5°H) du signal d'entrée du bassin d’Argnat 11.2.2.1. Fractionnements isotopiques et droite météorique..
11.2.2.2. Détermination de la Droite Météorique du Bassin d’Argnat (DMBA)....
IL.3. Quantification du signal d’entrée : Estimation de l’infiltration efficace sur le bassin
d’Argnat.....
11.3.1. Estimation de la lame d’eau préc:
11.3.2. Estimation de l’évapotranspiration .
113.2.1. Choix de la méthode de calcul
11.3.2.2. Quantification de l'évapotranspiration réelle (ETR) et de l’infiltration efficace (LE)
tée sur le bassin d’Argnat 11.33. Estimation du débit du bassin versant d'Argnat...
Chapitre III ETUDE DES TRANSFERTS PLUIE/ ZONE NON SATUREE/ ZONE
SATUREE..
III.1. Origine de l’eau alimentant la ZNS et la ZS des coulées volcaniques...
IIL2. Relation Infiltration efficace / ZNS / ZS
IIL.2.1. Evolution des débits au cours de la période de mesures .
JIL.2.2. Etude des débits à partir des analyses corrélatoire:
IIL.3. Paramètres physico-chimiques et chimiques du signal d'entrée, de la ZNS et la ZS : Rôle
du contexte géologique et environnemental dans l’acquisition de la chimie. 131 111.3.1. Paramètres physico-chimiques et origine des éléments
11.32. Evolution temporelle des concentrations chimiques ...
UIL.A4. Evolution temporelle du marquage du 5 °C du carbone inorganique total dissous (CITD) de la ZNS et de la ZS ...
IIL.4.1. Principe de traçage isotopique du CDperle carbone-13 IT.4.1.1. Présentation des principaux réservoirs de CO; et leur marquage en carbone-13
111.4.1.2. Fractionnement du carbone-13
114.2. Origine du CITD de la ZNS
I11.4.2.1. Evolution 5 *Corro et de la pCOze, de la ZNS .
II1.4.2.2. Mise en évidence de l’origine biogénique du CITD
1.4.2. Vérification de l'hypothèse de l’influence secondaire d’une équilibration isotopique avec le
CO; de l'atmosphère dans la ZNS..
111.4.3. Originalité du marquage isotopique de la ZS : intervention d’une source enrichie en carbone-13 161
TIL.5. Synthèse et discussion sur les transferts pluie/ ZNS/ ZS...... 166
Chapitre IV TRANSFERTS HORIZONTAUX AU SEIN DU BASSIN D'ARGNAT ....... 169
1V.1. Liaisons hydrauliques entre l’amont vers l’aval et caractérisation hydrodynamique des
circulations : Résultats du traçage artificiel. ... ésrnere TS IV.1.1. Problématique : vérification de l'existence de liaison hydraulique entre le captage d’Argnat et la source du Bédat...
IV.1.2. Réalisation du traçage.
1V.1.3. Mise en évidence de liaisons hydrauliques
IV.1.4. Calcul des vitesses de transit.
IV.1.5. Hétérogénéité des circulations : analyse de la forme des courbes de restitution.
1V.1.6. Estimation des paramètres hydrodispersifs ....
IV.1.6.1. Méthode Single Fracture Dispersion Model (Maloszewski et Zuber, 1985
1V.1.6.2. Calage du modèle et détermination des paramètres hydrodispersifs
IV.1.7. Taux de restitution ...
IV.1.8. Conclusions sur le traçage artificiel effectué sur le bassin versant d’Argnat..
IV.2. Identifications des mécanismes de recharges au moyen de 5 *O et 5 IV.2.1. Une alimentation d’origine météorique ...
IV.2.2. Estimations de l’altitude moyenne des aires d'alimentation.
1V.2.3. Gradients altitudinaux en 8 O des sources du bassin d’Argnat et influence du contexte géologique sur les alimentations de basse altitude ...
IV.2.4. Evaluation de la participation des infiltrations de basse altitudi
1V.3. Influence des alimentations de basse altitude sur la géochimie des eaux.
1V.3.1. Caractérisation physico-chimique des eaux souterraines...
1V.3.2. Identification des mécanismes contrôlant la chimie des eaux du bassin d’Argnat 196
1V.3.3. Evolution des apports exogènes le long d’une ligne de courant 197
1V.3.4. Evolution des éléments liés à la dissolution de l’encaissant .
IV.4. Variabilité de l’origine du CO; sur le bassin d’Argnat.....
IV.4.1. Hétérogénéité des signatures en carbone-13 à l'échelle du bassin.
IV.4.2. Hétérogénéité des signatures du COx à l'échelle du bassin
IV.4.3. Les sources de CO; sur le bassin d’Argnat ..... IV.5. Synthèse et discussion sur les transferts horizontaux... 219
CONCLUSIONS GENERALES 221
Bibliographies... anna PART AA PL O PNVEE TALEA TAER TETE 231
Listé des FiglreSisssnsnninsnsssiienneeneasenscnssiesiéttits 246
Liste des Tableaux... 250
253 ANNEXES snissssnnrennntEneessnreisineuaracenannineiéunsnenndnosiinns INTRODUCTION Introduction
Dernière manifestation du volcanisme du Massif Central français, édifiée au Quaternaire, la
Chaîne des Puys est composée d'un alignement de 80 édifices : dômes, maars, cônes
stromboliens et coulées de laves associées. Cette entité est reconnue depuis les travaux de
Glangeaud (1913) comme une ressource abondante en eau de bonne qualité chimique et
bactériologique. De nombreuses sources, réparties sur 10 bassins hydrogéologiques draînent
les materiaux volcaniques et fournissent des débits généralement abondanis et le plus souvent
constants. Ces constats ont motivé l'exploitation de la ressource depuis le début du XX°"°
siècle, notamment par le biais de puits ou de galeries sous-volcaniques. A l’heure actuelle,
34% du débit de la Chaîne des Puys sont exploités pour l'alimentation en eau potable de la
région clermontoise. En 1988, les études préliminaires du projet d'autoroute Périgueux /
Clermont-Ferrand, dont les premiers tracés intéressaient la partie nord de la Chaîne des Puys,
ont permis de mettre en évidence la complexité du fonctionnement hydrogéologique de ces
aquifères. La diversité des propriétés hydrogéologiques des produits volcaniques, et la
complexité de leur géométrie a notamment pu être soulignée, Elles ont également sensibilisé
les utilisateurs des bassins hydrogéologiques au problème de la protection de la ressource vis-
à-vis des projets d'aménagements.
Abondamment arrosées et très perméables, les formations volcaniques de la Chaîne des Puys
drainent l’eau des précipitations et l’acheminent au cœur de paleothalwegs dans lesquels elle
circule jusqu’au front des coulées volcaniques où elle réapparait sous forme de sources. Les
caractéristiques hydrogéologiques de la Chaîne des Puys sont donc liées à ses particularités
climatiques, géologiques, morphologiques et environnementales qui vont contraindre l’eau
souterraine en terme d’origine, quantité, qualité et parcours dans les aquifères volcaniques. La
composition chimique et isotopique de l’eau reflète l'ensemble des processus intervenant lors
du cycle de l'eau. Ses variations au sein et entre les différents compartiments permettent donc
de préciser le rôle de ces différents facteurs. C’est l’objet de cette thèse qui porte sur la
caractérisation chimique et isotopique des différentes étapes du cycle de l’eau afin de définir
le fonctionnement des aquifères sous-volcaniques de la Chaîne des Puys. Dans cette
perspective, notre travail s’est articulé autour de deux thèmes :
1- définition du signal d'entrée des aquifères régionaux, préalable indispensable à toute étude
hydrogéologique. Les mécanismes d'acquisition de la chimie (Na‘, K*, Mg”, NH4', Ca, CT,
NO, SO, POi”, HCO3') de la pluie en fonction de son trajet longue distance (rainout), et
de l’influence des paramètres locaux (météorologiques, environnementaux) sur le lessivage Introduction
pendant la pluie (washout) ont donc été étudiés et ce, aux échelles événementielles et infra-
événementielles.
2- étude du fonctionnement du bassin versant d'Argnat localisé au Nord de la Chaîne des
Puys : l’évolution des paramètres chimiques (ions majeurs) et isotopiques &0, #H, 5°C)
du signal d'entrée, de la zone non saturée et de la zone saturée a été suivie dans le temps et
l’espace.
Ce mémoire s’organise autour de quatre chapitres. Le chapitre I présente la climatologie de la
région ainsi que les caractéristiques géologiques, hydrogéologiques et environnementales du
secteur étudié ; la stratégie de l’étude sera détaillée à la fin de ce chapitre. Le chapitre IT
concerne les résultats obtenus sur les pluies régionales, en terme de mécanismes d’acquisition
de la chimie, et sur le signal d’entrée du bassin versant d’Argnat qui sera caractérisé d’un
point de vue quantitatif et qualitatif. Le chapitre III s’intéresse à l’étude des transferts
verticaux depuis le signal d’entrée des aquifères volcaniques vers la zone saturée via la zone
non saturée. Enfin, le chapitre IV aborde les transferts horizontaux depuis l’amont vers l’aval
du bassin. L'ensemble des résultats obtenus nous permettra de proposer un schéma conceptuel
du fonctionnement du système d’Argnat.
Cette étude s'inscrit dans le cadre du projet PREVOIR (PRéserver, Evaluer et ValOriser
l’envIRonnement), financé par le Conseil Régional d'Auvergne, dont l'objectif général est de
prévoir la qualité environnementale et les risques naturels dans un contexte de changement
climatique global. Elle constitue une approche pluridisciplinaire mettant en rapport les
compétences techniques et scientifiques du Laboratoire Magmas et Volcans et du Laboratoire
de Météorologie Physique réunis au sein de l'Observatoire de Physique du Globe de
Clermont-Ferrand. Chapitre I
CONTEXTE DE L’ETUDE ET METHODOLOGIE Chapitre I : Contexte de l’étude et méthodologie
Cette première partie est consacrée à la présentation du cadre de l’étude. Après avoir décrit le
cadre géographique et le contexte climatologique régional, nous traiterons des grands traits de
la géologie et de l’hydrogéologie de la Chaîne des Puys ; une synthèse bibliographique sur les
propriétés hydrogéologiques des formations volcaniques sera notamment réalisée. Nous
présenterons ensuite la stratégie mise en place pour répondre à la problématique de notre
étude, ainsi que les sites de mesures choisis dans cette perspective. Nous détaillerons ainsi les
caractéristiques techniques de la station météorologique d’Opme ainsi que la géologie et
l’hydrogéologie du bassin d'Argnat. Enfin, nous présenterons les différentes approches
analytiques mises en œuvre.
11 Chapitre I : Contexte de l'étude et méthodologie
1.1. Cadre de l’étude : Géographie et contexte environnemental
1.1.1. Morphologie générale
L’allure générale de la région clermontoise est celle d’un large amphithéâtre montagneux
entourant la plaine de la Limagne, ouvert vers le Nord. Cette région est bordée par les reliefs
de l'Ouest, constitués de : (1) pénéplaines cristallines creusées de vallées parfois encaissées
composant, du Nord au Sud, la région des Combrailles de 500 à 700 m d'altitude, le plateau
des Dômes de 900 à 1000 m et le plateau de l'Artense dépassant 1000 m dans sa partie est ;
(2) reliefs volcaniques juchés sur ce socle ancien et séparés en trois ensembles, avec du Nord
au Sud, la Chaîne des Puys constituée d’édifices volcaniques dépassant le plateau de 200 à
plus de 400 m (point culminant : le Puy de Dôme 1465 m), le massif du Mont Dore, ancien
strato-volcan démantelé par l'érosion et culminant au Puy de Sancy à 1885 m, le Cézallier,
plateau au relief très adouci, atteignant néanmoins 1555 m au Signal du Luguet.
Clermont-Ferrand et son agglomération constituent la partie est du domaine d’étude, dans la
zone de la Grande Limagne, fossé sédimentaire s’élargissant vers le Nord. Ce couloir
limagnais présente une altitude moyenne de 350 m, il est toutefois parsemé dans sa partie sud
de buttes d’origine volcanique (plateau de Gergovie, plateau de Veyre-Monton, figure 1-1).
12 Chapitre I : Contexte de l’étude et méthodologie
f <400m
=N= C7] 40à700m
î CC] 700 àt000m
4000 à 1300 m
EM 0m
Figure 1-1 : Carte schématique du relief du département du Puy-de-Dôme.
1.1.2. Occupation des sols
Cette géographie physique en trois étages (plaines, plateaux, montagnes) a conditionné
l'occupation des sols. D’un point de vue général, la région clermontoise comprend trois types
de terrains: (1) une végétation naturelle de forêts (conifères, feuillus) et de prairies,
principalement sur les domaines volcaniques et sur les plateaux granitiques sous-jacents ; (2)
des espaces de polycultures, surtout en Limagne ; (3) des espaces urbanisés et notamment
Clermont-Ferrand.
13 Chapitre I : Contexte de l’étude et méthodologie
La figure 1-2 permet d’avoir un point de vue global sur l’occupation des sols du secteur ; les
sites de prélèvements de pluie (Opme, Sayat) et le bassin hydrogéologique d’Argnat qui
seront présentés au paragraphe [.4 sont matérialisés.
D
M
=
a
Ch
clé 14 €
Figure I-2 : Plan d’occupation des sols de la région clermontoise.
1.2. Climatologie de l’Auvergne
1.2.1. Les circulations atmosphériques en Auvergne
Aux latitudes moyennes de l’hémisphère Nord en Europe, on observe au niveau de la
troposphère un courant général d'Ouest en Est, contrôlé par l’anticyclone subtropical des
Açores et par une zone complexe de basses pressions qui couvre les territoires subpolaires de
14 Chapitre I : Contexte de l'étude et méthodologie
l'Europe. Bien que l'influence d'Ouest en Est soit prépondérante, l'analyse des situations
météorologiques journalières montre la présence d'importantes déformations de ce flux.
Ces déformations sont notamment dues au déplacement des centres cycloniques et
anticycloniques de part et d’autre de l’Europe de l'Ouest. Nous avons défini une typologie de
ces masses d'air. La circulation générale se fait d'Ouest en Est, ainsi, en hiver, le centre de
l’anticyclone des Açores, ou un émissaire de celui-ci, s’étend la plupart du temps au-dessus de
l'Espagne et parfois dans la partie sud-ouest de la France, tandis que le centre dépressionnaire
est situé sur le Sud-Est du Groenland ou au voisinage de l'Islande. Les perturbations
provenant de l'Océan Atlantique vont d'Ouest en Est, en traversant le plus souvent les îles
britanniques avant d'atteindre le continent. Il arrive assez fréquemment que le front polaire
soit dévié vers le Sud-Est par des dépressions assez profondes couvrant la partie nord-ouest
de la méditerranée, en particulier le Golfe de Gênes. Il peut donc se produire une grande
variété de situations, en particulier si un anticyclone persiste au-dessus de la Scandinavie, au
Nord de la Russie ou en Europe de l'Est, déviant le chemin des dépressions de l’Atlantique
vers le Nord, à l'approche du continent.
Au printemps, l’anticyclone des Açores s'étend fréquemment au-dessus de l’océan. Le centre
dépressionnaire de l’Islande est encore présent, avec son centre plus au Sud qu’en hiver. Les
perturbations venant de l‘Ouest sont beaucoup moins nombreuses et les circulations
méridionales sont très fréquentes (Arléry, 1970).
1.2.2. Les paramètres hydro-climatiques
La ligne méridienne des volcans du Mont-Dore et des Dômes, de part sa disposition
perpendiculaire au sens de déplacements des perturbations océaniques, les reçoit de plein
fouet. Le relief est ainsi à l’origine de deux effets qui se traduisent par une dissymétrie des
paramètres climatiques sur les deux versants de la Chaîne des Puys. L'effet d'altitude se
traduit par un soulèvement orographique des masses d’air, ce qui provoque une détente
adiabatique, un refroidissement et par conséquent une condensation de la vapeur d’eau à
l’origine des nuages puis des précipitations. Les versants occidentaux sont donc plus arrosés,
la quantité de pluie augmentant avec l'altitude et la diminution de température résultante.
L'effet de foehn se produit lorsque la masse d'air redescend, induisant ainsi une compression
15 Chapitre I : Contexte de l'étude et méthodologie
et un réchauffement responsable d'une désaturation en vapeur d’eau: les précipitations
diminuent sur les versants est.
D'autre part, si les reliefs orientés N-S sont soumis à une influence océanique, les Limagnes
sont quant à elles concernées par un régime continental. Elles sont donc caractérisées par une
relative sécheresse hivernale et de fortes pluies d’orage en été. Cette variabilité peut être
illustrée en comparant les pluviométries moyennes mensuelles (Période 1971-2000 ; données
MétéoFrance) de stations localisées à l'Ouest (Pontgibaud) et à l'Est (Volvic, Clermont-
Ferrand) de la Chaîne des Puys (figure 1-3).
D Pontgibaud (alt= 722 tn) SR
120 O Volvic (alt= 472 mi)
e M Cletmont-Fd (at =331m) | Pontéibaud
€. 100 Clermont-Fd
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Figure L-3 : Pluviométries moyennes mensuelles (1971-2000 ; données MétéoFrance).
La comparaison des pluviométries mensuelles montre en effet qu’il pleut plus à Pontgibaud
(892,3 mm.an !) située à l'Ouest de la Chaîne des Puys, qu’à Volvic (7564 mm.an’!) ou à
Clermont-Ferrand (591,4 mm.an'!) localisées à l'Est. Ces tendances mettent en évidence
l'effet de Fœhn: le réchauffement des masses d’air après l'obstacle orographique de la
Chaîne des Puys implique de faibles précipitations sur le versant est en hiver. Cet effet prend
de l'ampleur à mesure qu’on s'éloigne de la Chaîne des Puys vers l'Ouest (Bouchet, 1987). A
l’échelle mensuelle, la différence de pluviométrie est cependant moins importante entre avril
et octobre que durant les mois d’hiver. Cela ne traduit pas l'arrêt de l’effet de Fœhn, qui est
un processus thermodynamique, mais indique qu'il est partiellement compensé par des
précipitations convectives (orages) dont l'occurrence augmente en été du fait des plus fortes
chaleurs sur les versants est (Barbaud, 1983).
16 Chapitre I : Contexte de l'étude et méthodologie
1.3. Contexte hydrogéologique
1.3.1. Cadre géologique
1.3.1.1. Structure et morphologie de la Chaîne des Puys
La Chaîne des Puys a été décrite en premier lieu par Glangeaud (1913), qui en a fourni une
cartographie et une synthèse complète. Les travaux qui lui ont été consacrés par la suite sont
abondants. Camus (1975) en détaille la géologie, la structure et la volcanologie. La Chaîne
des Puys constitue ainsi la plus septentrionale des grandes unités volcaniques du Massif
Central. Elle se décompose en deux sous-ensembles d'importance inégale : la Chaîne des
Puys au sens strict, à l’Ouest de Clermont-Ferrand, et le groupe du Pavin, près de Besse-en-
Chandesse, 30 km plus au Sud. La Chaîne des Puys proprement dite comprend près de quatre-
vingts volcans disposés selon une direction méridienne de 37 km de long sur 4 km de large,
parallèle à la faille majeure qui limite le horst du plateau des Dômes et la Limagne.
L'ensemble de la Chaîne des Puys est disposé sur un horst cristallin appelé le plateau des
Dômes. Ce dernier a une altitude d'environ 900 m et se dresse entre les fossés tectoniques
d'Olby à l'Ouest et de la Limagne à l'Est d'altitude moyenne de 750 m et 350 m
respectivement (figure [-4). Il s'élève nettement au-dessus de la Limagne. dont il est séparé
par la faille bordière de Limagne, caractérisée par une dénivellation de plusieurs centaines de
mètres. Il présente un profil transversal Est-Ouest très dissymétrique : son versant oriental,
côté Limagne, est pentu en raison des gradins tectoniques et de la subsidence importante du
fossé limagnais, tandis que la pente du versant occidental est plus douce.
17 Chapitre I : Contexte de l'étude et méthodologie
Vallée Faille de Limagne de la Sioule
Plateau des Dômes
Fossé d'Olby
Figure 1-4 : Description morpho-structurale de la Chaîne des Puys (Boivin ef al., 2004).
La ligne volcanique n’est pas positionnée au centre du horst. Elle s’est installée à 2 ou 3 km à
l'Ouest de l’axe sommital du plateau et à 6 km environ de la faille bordière. Les volcans ont
une orientation générale N-S, mais s’ordonnent en réalité sur un faisceau de fractures de
direction N.NE-S.SO, identique à celles des nombreuses cassures élémentaires constitutives
de la faille de la Limagne. La mise en place des coulées de lave a été fortement influencée par
la topographie anté-volcanique. Sur le versant occidental, elles se sont épanchées en larges
nappes, masquant une grande partie du substratum. Sur le versant oriental, elles se sont dans
un premier temps étalées entre les cônes volcaniques et la zone sommitale du plateau, puis ont
été canalisées par les vallées profondes et étroites jusque dans la Limagne, où une topographie
moins accidentée leur a permis de s’épandre plus largement.
1.3.1.2. Histoire géologique régionale
Le socle hercynien est principalement composé de formations gneissiques, migmatitiques
légèrement métamorphisées et de formations volcaniques et volcano-sédimentaires plissées
entre lesquelles se sont insérés des granitoïdes (granites, diorites, syenites).
A la fin du Primaire, il ne subsiste de la chaîne hercynienne qu’une surface d’érosion pré-
triasique. Au Secondaire, le Massif Central, pénéplané et émergé, s’est probablement
maintenu en îlot au milieu des mers jurassiques et crétacées. A l’Eocène, les premiers
plissements alpins ont provoqué le début de l’effondrement de la Limagne par un jeu de
18 Chapitre I : Contexte de l’étude et méthodologie
fractures hercyniennes. L'accentuation de ces mouvements au cours de l’Oligocène aboutit à
la formation de vastes fossés d’effondrement qui se comblent progressivement de sédiments
détritiques à l’Oligocène inférieur, puis marneux et calcaires à l’Oligocène supérieur et à
l'Aquitanien. La subsidence, beaucoup plus importante du côté de la Limagne, entraîne la
dissymétrie du plateau des Dômes, entre le flanc est abrupt et le flanc ouest en pente douce.
Au Miocène, un nouveau jeu de failles provoque un soulèvement généralisé du Massif Central
et accélère ainsi l'érosion avec pour conséquence un encaissement des cours d’eau drainant le
plateau. Ce phénomène se poursuit jusqu’au début du Quaternaire, aboutissant à la naissance
de véritables gorges sur le flanc est du horst (Camus, 1975 ; Boivin er al., 2004).
La conjugaison de ces phénomènes crée ainsi les conditions de formation d'un rift continental
du Nord au Sud du Massif Central (et bien au-delà d'ailleurs : fossé de la Bresse, plaine
d'Alsace), et entraîne la fusion partielle des matériaux du manteau supérieur. Les magmas
générés remontent alors au gré des faiblesses de la croûte terrestre.
Les premières manifestations volcaniques apparaissent au Tertiaire, dès l’Oligocène
supérieur. Elles s’intensifient à la fin du Miocène inférieur jusqu'au Quaternaire ancien. On
peut les regrouper en trois phases principales : (1) au Miocène, on observe la mise en place
des coulées tertiaires de Gergovie, Côte de Clermont et Châteaugay ; (2) au Pliocène,
l’activité montdorienne recouvre partiellement le plateau granitique par des épanchements et
des projections ; (3) le Quaternaire voit l'édification de la Chaîne des Puys proprement dite,
C'est manifestement la réactivation des anciennes fractures hercyniennes qui a rendu possible
l'ascension des magmas (Camus, 1975). La première éruption de la Chaîne des Puys date de
90 000 ans avec l'édification du Puy de Chanat ; l’activité volcanique s’est arrêtée il y a
environ 8000 ans lors de la mise en place des puys de la Vache et de Lassolas, et il y a moins
de 7000 ans si on tient compte de la formation du sytème Montchal-Montcyneire-Pavin au
Sud, satellite de la Chaîne des Puys.
Trois types de volcanismes sont décrits pour la Chaîne des Puys : stromboliens (volcanisme
effusif, basique), trachytique (explosif, acide) et phréatomagmatique (formations de maars).
Ce dernier type de volcanisme concerne aussi bien les magmas acides que les magmas
basiques (Boivin ef al., 2004). Il ne fera pas ici l’objet d’une description détaillée dans la
mesure où il est absent du bassin d’Argnat. Le fonctionnement d’un cône strombolien est
décrit par la figure 1-5.
19 Chapitre I : Contexte de l’étude et méthodologie
Sommet de le colonne magmatique
Sommet de la colonne houlements et
effondtements intta-cratérique
7 Sône are
- — Effusion tatérale
Chute
Seupoudrage :
COULEES
BASEDECONE CŒURDECONE e—" Filon d'alitentetion
34— >
Seories noires Scories touges
Figure 1-5 : Structure et fonctionnement d’un cône strombolien (d’après Camus, 1975),
La présence d’un cône de projections autour du point d'émission témoigne d’une explosivité
relativement faible. Le magma en fusion, contient une proportion notable de gaz dissous sous
l'effet de la pression. Le mouvement ascensionnel du magma par différence de densité avec
l’encaissant provoque la diminution de la pression, qui autorise ainsi la formation de bulles de
gaz, contribuant également à la remontée du magma. Selon le débit du gaz, la lave peut être
évacuée sous forme de coulées ou projetée dans les airs sous forme de bombes, lapillis ou
cendres. On observe ainsi des empilements de coulées d'épaisseur variable (1 à 20 m;
Glangeaud, 1913) intercalées avec des couches de projections scoriacées charriées par l’action
de «tapis roulant » des coulées lors de leur mise en place ou de cendres apportées par voie
aérienne lors des éruptions.
Le fonctionnement d’un dôme trachytique est décrit par la figure 1-6. Ce type de volcanisme
est beaucoup moins fréquent dans la Chaîne des Puys. Le Grand Sarcouy et le Puy Chopine
en sont des manifestations sur le bassin d’Argnat. La mise en place de l'édifice se fait par la
20 Chapitre I : Contexte de l’étude et méthodologie
montée d’une lave très visqueuse s’accumulant en surface et se figeant sur place, donnant un
dôme (Grand Sarcouy) ou une protrusion (Puy Chopine).
==
a =: Re. TS RER AN EE Panage explosif ee] =. à nie > $ sommital Eee FT SEPT IE , 7 Retombées cendreuses
Sd
) à Nestes Nuée
À Avaenchesrdente À édente
Aiguille plinienne
Écorce scoriacée
éclatée-brechifiée
Erèche d'écoulement
(talus d'étoutis)
Brèches de nuée ardente
péléenne
Cône de cendres et bloc
(explosion initiale)
Cratère initial
Figure 1-6 : Structure et fonctionnement d’un dôme trachytique (d’après Camus, 1975).
Dans la Chaîne des Puys, les coulées sont associées uniquement au volcanisme de type
strombolien. La topographie anté-volcanique influe de façon évidente sur le comportement et
la morphologie finale de la coulée. L'analyse de la carte géologique de la Chaîne des Puys
(Boivin et al., 2004) met en évidence le contraste entre les coulées très étalées à l’Ouest de la
Chaîne des Puys en raison de la faible pente, et les coulées étroites et canalisées à l’Est qui
s’élargissent en Limagne. Côté Est, le point le plus étroit et le plus profond des anciens
thalwegs est appelé « goulot » ou « goulet ». Il est caractérisé par l’empilement des coulées
pouvant atteindre plusieurs dizaines de mètres.
21 Chapitre I : Contexte de l’étude et méthodologie
1.3.2. Hydrogéologie de la Chaîne des Puys
1.3.2.1, Caractéristiques hydrogéologiques et chimiques des terrains rencontrés
Les propriétés hydrodynamiques, chimiques ét structurales des terrains rencontrés dans la
Chaîne des Puys vont influencer le fonctionnement hydrogéologique des aquifères
volcaniques.
La nature du substratum anté-volcanique peut être approchée par l’étude des affleurements
rencontrés tout autour de la Chaîne des Puys. Les formations anté-hercyniennes sont des
gneiss quartzo-feldspathiques ou des anatexites représentant le stade le plus intense de la
migmatisation du gneiss. On les rencontre à l'Est de la Chaîne des Puys entre Orcines et
Argnat. Les formations hercyniennes sont majoritairement représentées par des granites
monzonitiques à biotites. Elles constituent la plus grande partie des rebords du plateau
cristallin. Les données chimiques des formations de socle sont reportées dans le tableau 1-1.
Granite à biotite Synéno-diorite d’Enval
SiO: 62,90 58,65
MgO 2,40 3,60
CaO 3,30 4,05
NazO 3,10 4,10
K:20 3,30 3,05
P:0s 0,15 0,15
Tableau 1-1 : Analyses chimiques (en % de poids) des roches du socle (d’après Barbaud, 1983).
Du point de vue hydrogéologique, quelques nappes d’arênes de faibles épaisseur (quelques
mètres) peuvent se former au niveau du socle et alimenter des sources. Leur débit subit de
fortes variations, et va souvent à tarissement après un cycle d'années sèches (Hottin er al.,
1989). Le socle peut être le siège de ruissellements non pérennes. Certains ruisseaux se
réinfiltrent partiellement ou complètement au contact des coulées volcaniques (le
Lambertèche sur le bassin versant de Volvic, le Colombier sur le bassin versant de Nohanent-
Durtol). D’autres circulations superficielles sont barrées par l’épanchement des coulées
volcaniques en travers de leur cheminement. Si la capacité d’infiltration de la coulée est faible
comparativement au débit du ruisseau, alors il peut se former des lacs de barrages tels que le
lac d’Aydat.
22 Chapitre I : Contexte de l’étude et méthodologie
Le substratum sédimentaire tertiaire de la Limagne date de l'Oligocène. Les formations
géologiques sont essentiellement représentées par des matériaux détritiques (marno-calcaires,
marnes vertes et calcaires concretionnés) déposés dans des milieux lacustres, qu'accompagne
une forte subsidence. Cette sédimentation essentiellement lacustre à été marquée par de
nombreuses incursions marines comme l’attestent certains faciès à gypse et évaporite
(Bréhéret et al., 2007). Il apparaît ainsi que la sédimentation pendant la formation du fossé
d’effondrement de la Limagne s’est effectuée à un niveau proche de celui de la mer. Du point
de vue hydrogéologique, les terrains de la Limagne sont caractérisés par de faibles
circulations superficielles et par l’existence de circulations d’eaux minérales. Celles-ci
peuvent exister à la faveur de failles du socle et peuvent former des nappes relais au sein des
terrains marneux.
Les produits volcaniques rencontrés dans la Chaîne des Puys sont diversifiés : aux volcans
stromboliens, dômes et protrusions trachytiques s’ajoutent des coulées qui vont du terme
basaltique à trachybasaltique, et des maars.
La cheminée du cône apparaît sous la forme d’un amas d'énormes blocs, atteignant plusieurs
m° et agglutinant une grande quantité de scories rougeâtres. Ces blocs empilés laissent entre
eux de nombreux vides. La moyenne granulométrique diminue rapidement avec la distance à
l’axe du cône, et le litage apparaît dans le même temps de plus en plus net. Les projections
pyroclastiques scoriacées, notamment au niveau des cônes stromboliens, du fait de leur
porosité élevée, représentent un excellent réservoir régulateur (Barbaud, 1983 ; Josnin ef al.,
2007). Ces matériaux sont caractérisés par une porosité d’interstices (Smyth and Sharp,
2006). Le tableau 1-2 présente des valeurs de porosité et perméabilité pour les matériaux
volcaniques pyroclatiques rencontrés dans la Chaîne des Puys.
23 (exrpeyonoT)
PIAISSILUSUCIL,SJptoedeosanaue.req Chapitre I : Contexte de l’étude et méthodologie
Du point de vue de la composition chimique, l’analyse du cône strombolien du Puy de
Paugnat (tableau 1-3 ; Camus, 1975) indique que ces matériaux sont principalement composés
de silice. La différence entre les scories rouges et les scories noires tient à l’oxydation syn- et
post-éruptive à haute température (T > 600 °C) au contact de l'oxygène aérien (Baudry et
Camus, 1972).
Scories rouges du Puy de Paugnat Scories noires du Puy de Paugnat
SiO2 45,85 45,50
MgO 7,00 7,10
CaO 9,20 9,60
Na2O 2,95 3,00
K0 1,50 1,55
P:0s 0,80 0,90
Tableau 1-3 : Analyses chimiques (en % de poids) de scories stromboliennes (d’après Camus, 1975).
Les coulées de lave émergent à la faveur de brèches dans le flanc du volcan, qu’elles
égueulent par un phénomène de tapis roulant. Du point de vue de la structure, deux grandes
familles de coulées sont décrites : aa et pahoehoe (figure 1-7), termes hawaïiens utilisés en
volcanologie depuis 1953 (Macdonald) pour décrire, dans un premier temps, différentes
morphologies de surface. Les coulées aa possèdent une surface rugueuse constituée de scories
alors que les coulées pahoehoe ont une surface lisse sans scories. Dans un deuxième temps,
cette distinction a permis de souligner l'existence de modes de mise en place différents : les
coulées aa avancent de façon massive avec des scories se formant à leur surface et basculant à
leur base selon l’avancement de la chenille d’un tank, alors que les coulées pahoehoe se
forment par bourgeonnements successifs de lobes sujets à une inflation endogène (Hon et al.
1994 ; Self er al., 1998). Ces différences dans les modes de mise en place se retrouvent dans
les structures internes des coulées et ainsi dans les circulations d’eau souterraine au sein des
aquifères qu’elles contiennent (Kiernan er al., 2003).
Les coulées aa sont constituées par des scories vésiculées sommitales, une partie massive le
plus souvent prismée et éventuellement par des scories basales qui sont en fait des scories
sommitales basculées (figure 1-7). L'eau va d’abord s’infiltrer dans les scories sommitales,
puis percoler par les fissures de contraction thermique séparant chaque prisme, avant de
s’accumuler dans les scories basales pour constituer la zone saturée de l’aquifère, au contact
d’un substratum imperméable. C’est dans ce type de laves que se retrouve l'essentiel des
aquifères des coulées de la Chaîne des Puys (Nugère, Louchadière, Tiretaine, Pariou....).
25 Chapitre I : Contexte de l'étude et méthodologie
Les coulées pahoehoe ne présentent pas de scories à leur toit, mais une partie massive
comportant des vésicules sans continuité hydraulique (Aubele ef al., 1988). Cette partie
massive est, comme pour les coulées aa (figure 1-7), fréquemment prismée mais peut
également présenter de longues galeries appelées tunnels de lave (Kiernan et al., 2003). L'eau
peut s’infiltrer uniquement si la coulée est prismée ou présente des fissures d’inflation
(fissures acquises lors de la pression de lave chaude sous la lave solide refroidie). Cette eau
pourra ensuite s’accumuler dans des tunnels, ou alors sous la coulée, par exemple au niveau
d’alluvions perméables, formant ainsi une zone saturée. Des travaux récents (Loock, 2008)
ont également montré qu’une structure pahoehoe peut contenir un aquifère si la coulée
possède, à sa base, des scories formées in situ, par fragmentation phréatomagmatique de la
lave avec l’eau de la vallée empruntée.
A) Coulée de lave aa B) Coulée de lave pahoehoe
Scories ou clinkers Lave massive Lave massive prismée prismée Toit vésiculé
Alluvions Alluvions
Substratum Substratum
Figure 1-7 : Schéma structural d’une coulée aa et pahoehoe (Loock, 2008).
Ainsi, dans les coulées de laves, la porosité de fractures domine et la perméabilité dépend du
degré de fracturation. Quelques valeurs, déterminées pour les coulées de la Chaîne des Puys
ou dans d’autres massifs volcaniques, sont reportées dans les tableaux I-4 et I-5.
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saretiopenb StioedeoSaTauere4 Chapitre I : Contexte de l'étude et méthodologie
À l'échelle de la Chaîne des Puys (Camus, 1975), la série va du terme basaltique (43 à 48%
de SiO:), au terme trachytique (53 à 60% de SiO:).
Les basaltes sont des laves massives, noires à gris foncé, caractérisées macroscopiquement
par la présence de phénocristaux de clinopyroxène et d’olivine. Les leuco-basaltes (48 à 52%
de SiO2), appelés également labradorites, sont des laves grises, finement bulleuses, toujours
riches en plagioclases se présentant fréquemment en phénocristaux. Enfin, les trachy-
andésites sont des laves grises criblées de petites bulles irrégulières. Elles sont dépourvues de
phénocristaux. Le tableau 1-6 donne la composition chimique des laves rencontrées sur le
bassin versant d’Argnat.
Coulée des Grosliers (basalte) Coulée de Féligonde (trachybasalte)
SiO: 45,35 50,52
MgO 8,30 3,81
Ca0 10,35 7,86 NazO 2,80 3,96 K20 1,05 2,70 P20; 0,40 0,83
Tableau 1-6 : Composition chimique en % des laves du bassin d'Argnat (d’après Camus, 1975),
Les trachytes (60 à 68% de SiO»), contrairement aux catégories précédentes, ne constituent
jamais de coulée dans la Chaîne des Puys. La lave massive est bien cristallisée, souvent
légère, de toucher rugueux et de couleur claire, blanche à beige. Le Grand Sarcouy et le Puy
Chopine en sont des manifestations dans la Chaîne des Puys. Ces structures ne présentent pas
un intérêt hydrogéologique significatif compte tenu de leur faible perméabilité (Barbaud,
1983).
1.3.2.2. Schéma général de circulation
Le réseau hydrographique de la Chaîne des Puys traduit assez bien les propriétés
hydrogéologiques des différentes formations rencontrées et les contrastes de perméabilité.
L'ensemble des formations volcaniques quaternaires est dénué d'écoulement de surface. Le
ruissellement, quand il existe, il se produit à la surface des affleurements de substratum
imperméable et vient s’infiltrer dans la coulée volcanique au contact substratum / coulée, La
quasi-totalité des eaux précipitées sur les cônes stromboliens s’infiltre et percole lentement
29 Chapitre I : Contexte de l'étude et méthodologie
jusqu'au substratum imperméable. Les précipitations peuvent également atteindre la zone
saturée via l’infiltration directe sur les coulées de laves fissurées. La circulation des eaux dans
celle-ci est alors guidée par la morphologie du substratum entaillé par les paleothalwegs
(figure 1-8). Les exutoires naturels de ces systèmes hydrogéologiques sont représentés par des
sources qui s’écoulent soit en extrémité de coulée (sources de déversement), soit sur les flancs
des coulées (sources d’étranglement).
Précipitations
Ruissellement sur socle
infiltrations sur Re
coulée
Coulée volcanique
Semelle scoriacée
Source de Fe N el
front dé coulée Œ Substratum
Figure 1-8 : Schéma conceptuel des circulations dans les coulées volcaniques.
L'existence de ces axes de circulations, très contraints par la topographie et les paramètres
hydrodynamiques des fomations géologiques, a motivé au XX" siècle le creusement de
galeries de captage sous-volcaniques. Mesurant parfois plusieurs centaines de mètres de long,
ces galeries sont foncées dans l'axe des coulées et drainent l’eau circulant au cœur des
thalwegs (figure 1-9). Ce dispositif permet d’obtenir des débits importants, nécéssaires pour
l'exploitation rationelle de la ressource en eau. À l’heure actuelle, ce type d’aménagement est
trop onéreux pour être à nouveau envisagé. Les deux galeries utilisées pour notre étude seront
présentées au paragraphe [.4.1.2.
30 Chapitre I : Contexte de l’étude et méthodologie
subastratum
Coulcc volca
Figure 1-9 : Dispositif de captage de l’eau par galerie sous-volcanique..
I.3.2.3. Définition des 10 bassins hydrogéologiques
La définition des limites des différents bassins hydrogéologiques a été réalisée à partir de la
reconnaissance des bassins hydrographiques (Glangeaud, 1913 ; Fournier, 1983), de bilans
hydrogéologiques (Belkessa, 1977; Barbaud, 1983; Bouchet, 1987; Joux, 2002), de
sondages (notamment effectués dans le cadre de l’avant-projet de 1’ A89 ; Belin et al., 1988) et
de données géophysiques. À partir de ces différentes études, dix bassins hydrogéologiques
sont définis dans la Chaîne des Puys : six sur le versant est et quatre sur le versant ouest
(Boivin et al., 2004 ; Livet, 2006). Chacun de ces bassins hydrogéologiques constitue un
système indépendant, dont le fonctionnement est tributaire de ses particularités géologiques,
morphologiques et lithologiques. Le bassin hydrogéologique d’Argnat, qui fait l’objet de
notre étude est localisé au Nord-Est de la Chaîne des Puys (figure 1-10).
31 Chapitre I : Contexte de l’étude et méthodologie
Sranat
Échareni-Qurisl
Tiretare
Chez Fire AUrEN
Vaste
Figure 1-10 : Limites schématiques des bassins versants de la Chaîne Puys (d’après Livet et al., 2006).
D'un point de vue quantitatif, à partir des débits des principales sources, Glangeaud (1913)
estime le débit moyen de la Chaîne des Puys à 3,3 m°.s! En 1977, Belkessa calcule un débit
de 3,5 m°.s'! en tenant compte des débits des principales sources ajoutés à ceux captés par les
galeries sous-volcaniques. En 1990, le débit d’étiage de la Chaîne des Puys a été évalué à 2,5
m°.s” (Livet, 2006).
32 Chapitre I : Contexte de l'étude et méthodologie
1.4. Approches méthodologiques
1.4.1. Stratégie de prélèvements et description des sites de mesures
I.4.1.1. Caractérisation physico-chimique et chimique des précipitations
Nous avons d'abord déterminé les paramètres climatiques et météorologiques influençant
l'acquisition de la chimie de la pluie. Cette approche a pour objectif la caractérisation de la
signature physico-chimique (pH, conductivité électrique) et chimique (Na”, K*, Mg”, NH,
Ca +, CI, NOs, SO, PO”, HCOx) du signal d’entrée des aquifères de la Chaîne des Puys
en fonction de l'origine des masses d’air et de l'influence locale. Deux pas de temps.
journalier et séquentiel, sont utilisés pour définir les variations des précipitations en relation
avec la localisation de la station de prélèvement et la variation des paramètres
météorologiques (température, hauteur de pluie, intensité et direction du vent, origine et
trajectoire des masses d’air).
Les prélèvements sont réalisés sur le site d'Opme (45°43°N, 3°5°30°E, z = 650 m), station
météorologique appartenant à l'Observatoire de Physique du Globe de Clermont-Ferrand
(figure 1-11). Ce site présente l’intérêt d’être pourvu d’équipements permettant d'obtenir les
paramètres météorologiques nécessaires à la compréhension des mécanismes conduisant à la
chimie de la pluie. Les données des hauteurs de précipitation sont acquises par le Laboratoire
de Météorologie Physique (LaMP) de Clermont-Ferrand, celles concernant les températures,
l'intensité et la direction du vent par l'IRSN (Institut de Radioprotection et de Sûreté
Nucléaire).
La station de mesures est localisée dans une zone rurale, à 8 km au Sud de l’agglomération de
Clermont-Ferrand (cf. figure 1-2). Les activités anthropiques se résument à la culture de
céréales sur quelques parcelles et au faible trafic routier sur la route départementale D2 qui
passe en bordure du site.
33 Chapitre I : Contexte de l’étude et méthodologie
Station météorologique
frelevé T°, vitesse et
direction du vent
Pluviocollecteur
journalier automatiqu
Pluviomètre enregistreur Pluviocollecteur séquentiel
Figure 1-11 : Site de Opme et appareils de mesure utilisés.
a- Prélèvements journaliers
L’échantillonnage quotidien des précipitations est réalisé à l’aide d’un pluviocollecteur
automatique Eigenbrodt NSA 181/ KHS (figure 1-12). La pluie tombe sur un détecteur
d’humidité qui provoque l'ouverture du cône récepteur, évitant ainsi la collecte des retombées
atmosphériques sèches. La pluie est ensuite collectée dans un des huit flacons HDPE où elle
est protégée de la lumière et de la chaleur, la température du compartiment étant maintenue à
4°c.
34 Chapitre I : Contexte de l’étude et méthodologie
Figure 1-12 : Pluviomètre journalier et capteur d'humidité permettant l'ouverture automatique.
b. Echantillonnage séquentiel
Un échantillonnage séquentiel des pluies en cours d’épisode a permis d’affiner les
observations précédentes, pendant la période de janvier à mai 2006 (Rangognio, 2006). Le
matériel utilisé (figure 1-13) est une adaptation des systèmes de Bourrié (1978) et de Celle
(2000). Un pluviocollecteur de 1134 em? alimente une série de 10 flacons de 100 ml et un
bidon de 1 1. Ce système permet d’échantillonner une pluie maximale de 17,6 mm.
Figure 1-13 : Pluviocollecteur séquentiel.
Les flacons, reliés par des raccords trois voies, se remplissent successivement. Un taux de
mélange de 3% a été évalué à partir de plusieurs tests qui sont détaillés en Annexe A.
Les eaux de pluie sont collectées une fois par semaine puis stockées, dans des flacons HDPE
(100 ml), préalablement rincés à l’eau distillée, dans des réfrigérateurs (4°C).
35 Chapitre I : Contexte de l'étude et méthodologie
1.4.1.2. Etude du fonctionnement hydrogéologique des aquifères volcaniques
L'objectif de notre travail étant de préciser les mécanismes de transfert d’eau et d'acquisition
de la minéralisation pendant le parcours de l’eau dans les aquifères volcaniques, notre choix
s’est porté sur le bassin d’Argnat, bien contraint du point de vue de sa structure et de sa
morphologie. Il a fait l’objet de nombreux travaux géologiques, hydrogéologiques et
géophysiques qui ont permis de préciser ses limites et l’organisation des coulées volcaniques.
Les études géotechniques menées par le Laboratoire Régional des Ponts et Chaussées de
Clermont-Ferrand (Belin er al..1988.) ont défini la mise en place des différentes coulées qui
atteignent le pied de la faille bordière de la Limagne. Onze forages réalisés à l’aval d’Argnat
montrent que les coulées se sont épanchées en deux grandes phases successives (figure I-14).
ubét Le Voleanisme Limagne
RS
[M c. des Grosiers(basatte) [MI C. des Blenzat(basatte) [n]C. d’Egaute (basalte)
C. De Féligonde (trachybasalte) [M © Du Mas d'Argnat (trachybasatte)
Figure 1-14 : Carte géologique simplifiée du bassin d’Argnat et localisation des forages effectués par le LRPC (Belin er al., 1988).
On distingue la coulée des Grosliers qui a emprunté un paléothalweg assez marqué en
direction du SE, jusqu’au lieu-dit Saint-Vincent. Les deux coulées ultérieures (coulée de
36 Chapitre I : Contexte de l'étude et méthodologie
Blanzat et coulée de Féligonde) se sont épanchées sur la coulée des Grosliers. Elles ont
emprunté un, voire deux paleothalwegs en direction de Blanzat.
Outre la superposition des coulées. les forages ont permis de souligner l'existence de
plusieurs niveaux aquifères (figure [-15). Sur la figure, deux niveaux piézomètriques sont
clairement différenciés. Le premier niveau, reconnu à 520 m par les forages W27 et W29,
correspond à un niveau scoriacé situé entre la première coulée de Blanzat et là coulée des
Grosliers, Un deuxième niveau a été déterminé à 500 m d’altitude à partir des forages W11 et
‘W28 (Gaubi, 1990).
37 Chapitre I : Contexte de l'étude et méthodologie
350
340
3530
320
510
300
Altitude (m) 490
430
470
460
450
360
350
540
330
320
510
Attitude (md 300
490
40
470
460
450
Sol
Scoties
C. de Féligonde
C. de Blanzat
C. Des Grosliets
C. De Chateaugay
Sables argileux
N. piézométrique
(es
[es]
EE
[=]
=
_
D
Figure 1-15 : Coupes transversale et longitudinale du bassin d’Argnat (d’après Belin er al., 1988 ; Gaubi,
1990, modifié).
38 Chapitre I : Contexte de l'étude et méthodologie
Le périmètre du bassin versant a été estimé par trois auteurs (tableau 1-7). Glangeaud (1913)
en propose les limites à partir d'observations géologiques de terrain. Belkessa (1977) modifie
ces contours à partir d'une carte d’isohypses du toit du socle établie avec les sondages
existants. Fournier (1983). à partir d’une étude géophysique en précise les contours, et obtient
un périmètre proche de celui de Glangeaud (1913).
Références Superficie (km”)
Glangeaud (1913) 31.7
Belkessa (1977) 9.5
Fournier (1983) 28.8
Tableau 1-7 : Evaluations de la superficie du bassin d’Argnat.
Nous ÿ apportons cependant une nuance: les forages effectués dans le cadre de la
reconnaissance géologique de l'A89 (Belin er al., 1988), démontrent l'existence d’une crête
sous-volcanique, sous le bois Coubert (coulée du Mas d'Argnat), qui constitue une ligne de
partage des eaux entre le bassin d’Argnat au Sud et le bassin de Volvic au Nord (figure 1-16).
Par ailleurs, Aubert ef al. (1990) ont apporté quelques modifications mais ont montré une
bonne cohérence globale des mesures de polarisation spontanée, avec les forages. Compte
tenu de ces données, le bassin aurait une superficie de 26,1 km?, une altitude moyenne de 811
m, son point culminant est situé à 1159 m (Puy de la Coquille) et son point le plus bas à 380
m (Blanzat). Il est constitué à 80% de terrains volcaniques, 18% de socle et 2% de terrains
oligocènes (Barbaud, 1983).
39 Chapitre I : Contexte de l’étude et méthodologie
édimaer
= = Limites de Fournier 1983
— = Ligue de partage RPC, 1988 |
u= = Ligne de partage Aubetetal, E —
1990
T7 Station météo de Sayat
| @ Enerene
Figure 1-16 : Limite du bassin d’Argnat (d’après Fournier, 1983, Belin er al.,1988 et Aubert er al., 1990) et localisation des points de prélèvements.
Pour caractériser les transferts depuis la recharge vers les différentes circulations, nous avons
adopté deux approches : une étude des transferts verticaux signal d’entrée/ zone non saturée/
zone saturée et une étude spatiale visant à identifier les transferts depuis l’amont vers l'aval
du bassin.
Les principales émergences étudiées sont positionnées sur le schéma conceptuel de la figure I-
17 obtenu à partir des informations acquises par l'intermédiaire des forages et des
observations de Van der Min (1945, cf. figure 1-19). La galerie d’Argnat capte l’eau entre la
coulée des Grosliers et la coulée de Blanzat. Les émergences de Féligonde et de la Vernède
drainent des circulations localisées entre la coulée de Féligonde et la coulée des Grosliers. La
Grande source de Reilhat, les captages de Reilhat et de Malauzat, et le lavoir de Blanzat sont
associés à la coulée de Blanzat. La galerie des Grosliers et la source des Vergnes sont
localisées à la base de la coulée des Grosliers.
40 Chapitre I : Contexte de l'étude et méthodologie
Coulée du Mas d’Argnat
Coulée de Féligonde ! GdeS Reilhat
Coulée de Blanzat ) Reilhat captée
LD]
=]
L_
D Coulée des Grosliers Blanzat, Malauzat
LT Coulée de Chateaugay
Es]
Scories Grosliers
Sables argileux
Situation des exutoires
Figure 1-17 : Schéma conceptuel de la disposition des coulées du bassin d’Argnat et localisation des
principales émergences étudiées.
a- Approche verticale
La caractérisation des transferts verticaux est réalisée à partir du prélèvement hebdomadaire
des précipitations à la station météorologique de Sayat (Indicatif : 63417001, z = 550 m,
45°50°18"N, 03°02°42"E), couplé à l’échantillonnage de la Zone Non Saturée (ZNS) et de la
Zone Saturée (ZS) dans la galerie sous-basaltique des Grosliers (45°49°20"N, 03°03°57"E)
entre le 1/12/05 et le 7/6/07. Pour affiner les résultats obtenus lors de cette approche, une
stratégie de prélèvement similaire est adoptée dans la galerie d’Argnat (45°50°39"N,
03°01°18"E) entre le 5/10/06 et le 7/6/07.
La galerie des Grosliers, longue de 70 m, fut creusée en 1936 dans le pied de la coulée du
même nom. Les eaux jaillissent au contact d’un niveau alluvial de nature granitique et
marneux (figure 1-18) et constituent une vasque de quelques mètres carrés, avant d’emprunter
la galerie. Les parois de celle-ci sont bétonnées, le plafond laisse apparaître le basalte sur
41 Chapitre I : Contexte de l'étude et méthodologie
toute sa longueur. D‘un débit d'environ 10 1s!, la galerie était initialement destinée à
l’alimentation en eau potable des villages environnants. Elle fut par la suite abandonnée en
raison de la dégradation chronique de la qualité de l’eau fournie (Livet, 2001). Elle est
aujourd’hui destinée à un usage industriel.
Lave massive prismée
Scories phréatomagmatiques
{zone saturée)
à
Alluvions
Figure 1-18 : Griffon de la galerie des Grosliers.
La galerie de captage d’Argnat fut creusée en 1945 dans l’objectif de soustraire la ressource
en eau à un certain nombre de contraintes environnementales qui portaient régulièrement
atteinte à sa qualité. D'une longueur de 370 m, cette galerie recoupe plusieurs niveaux massifs
ou scoriacés, et traverse un dôme de gneiss qui affleure sur plusieurs dizaines de mètres au
toit de la galerie (figure 1-19). L'eau captée émerge dans des scories, puis est canalisée
jusqu’à la sortie où elle subit une chloration avant d’être distribuée.
42 Chapitre I : Contexte de l’étude et méthodologie
Figure 1-19 : Coupe technique de la galerie d’Argnat (d’après Van der Min, 1945).
L'abondance de la ressource (actuellement, le débit moyen de la galerie est de 114 1.s'!) et sa
meilleure qualité chimique par rapport aux émergences avales a incité le Syndicat Basse
Limagne, gestionnaire des ressources sur le bassin, à en faire l’unique galerie d’alimentation
en eau potable depuis ces dernières années. L'autorisation de prélèvement est de 140 ls,
l'excédent, s’il existe, est rejeté dans la coulée, à l’aval de l’ouvrage.
Les prélèvements hebdomadaires des précipitations sont effectués à la station Météo-France
de Sayat, à partir du pluviomètre enregistreur de Météo-France associé un pluviocollecteur
installé pour notre étude. Les deux appareils sont reliés à un même bidon collecteur, ce qui
permet d'obtenir une surface de collection assez grande (614 em?) et d’avoir des volumes
échantillonnés suffisants (30 ml) pour réaliser les mesures physico-chimiques, chimiques et
les mesures des rapports isotopiques (8 O et 5°H). Le bidon collecteur a été partiellement
enterré puis protégé par une caisse en plastique dont les parois ont été garnies de plaques de
polystyrène. Ce dispositif a pour but de limiter les processus de fractionnement isotopique,
notamment pendant les périodes les plus chaudes (figure 1-20). Cette station est également
munie d’un capteur mesurant la température de l'air en continu.
43 Chapitre I : Contexte de l'étude et méthodologie
Pluviomètre
MétéoFrance k Pluviocollecteur
Bidon collecteur
Figure 1-20 : Dispositif d’échantillonnage des précipitations à la station météorologique de Sayat.
Concernant l’échantillonnage des ZNS des galeries d’Argnat et des Grosliers, le dispositif
consiste en un bidon collecteur placé sous un entonnoir récepteur, Le bidon est changé tous
les 7 jours afin d’obtenir des valeurs de volume d’eau comparables sur toute notre période de
mesure.
L’echantillonage de la ZS des Grosliers est mené au moyen d'un préleveur automatique
(Sigma 900), muni de 24 flacons HDPE de 1 litre et installé au niveau de la résurgence
principale. Un flacon représente un jour de mesures, soit 24 prélèvements à raison d’un
prélèvement / heure. Les flacons sont collectés une fois par semaine ; pH, Conductivité
Electrique et bicarbonates sont mesurés immédiatement après le prélèvement. Les flacons
sont alors mélangés de manière équi-volumique, afin d’obtenir un mélange caractéristique de
la semaine écoulée (figure 1-21), qui est ensuite analysé en chimie des majeurs et isotopes
stables. Les mesures isotopiques effectuées sur des échantillons laissés une semaine dans la
galerie ont été comparées avec celles effectuées sur des prélevements échantillonnés
instantanément afin de vérifier l’absence d’échange isotopique avec l’air de la galerie. Aucune
différence significative de la signature isotopique (8!*O, 5H, ô'°C) n’a été observée. La
stabilité des conditions d’hygrométrie et de température (10,3 °C pendant toute la période de
mesure) et la relative faiblesse des teneurs en carbone inorganique total dissous (CITD) dans
l’eau, permet sans doute d’expliquer cette équivalence.
Du point de vue des données hydrologiques, la galerie des Grosliers est équipée d’un
enregistreur limnimétrique (Thalymèdes OTT). Les hauteurs d’eau sont ensuite converties en
débits à partir d’une courbe de tarage (Annexe B) réalisée à l’aide d’un micromoulinet (C31
OTT).
44 Chapitre I : Contexte de l’étude et méthodologie
Préleveur
automatique
Sigma 909
(ZS}
Collecteur
À
Figure 1-21 : Dispositif de prélèvement dans la galerie des Grosliers.
La ZS d’Argnat fait l’objet de prélèvements instantanés. Les paramètres isotopiques de la ZS
sont déterminés avec un pas de temps mensuel. Le débit est obtenu directement grâce au
capteur éléctronique de hauteur d’eau installé au niveau d’un seuil situé dans le canal de la
galerie. La ZNS n’a fait l’objet que d’un suivi régulier des paramètres physico-chimiques et
chimiques.
b- Approche spatiale
L'étude des transferts amont-aval s'appuie sur des prélèvements mensuels (période 1/12/07-
7/6/07) effectués au niveau de 8 autres émergences réparties sur les différentes coulées
composant le bassin hydrogéologique d'Argnat (figure 1-16). Les carastéristiques des points
de prélèvements sont données ci-dessous :
- le captage d’Egaule, appartenant à la commune de Volvic (45°50’10"N,
03°00°20"E), est utilisé pour l'alimentation du village. Il est localisé dans la partie
amont du bassin, au front de la coulée basaltique d'Egaule, dans un secteur
essentiellement forestier ;
- la source de Féligonde (45°50°12"N, 03°03*06"E) est localisée au front de la coulée
trachy-basaltique du Mas d’Argnat. Une enquête de terrain a montré que son débit
aurait diminué depuis le creusement et l’exploitation de la galerie d’Argnat ;
- le prélèvement de la Vernède a été effectué sur l’une des fontaines du village de
Sayat alimentées par un captage (45°49’50"N, 03°02’54"E). On note sur le site la
présence de la source du Bédat dont le débit n’est plus pérenne depuis le début des
années 90 ;
45 Chapitre I : Contexte de l’étude et méthodologie
- la source des Vergnes, source de front de la coulée des Grosliers, se situe à quelques
centaines de mètres de la galerie des Grosliers (45°49°32"N, 03°04'06"E). Elle est
positionnée en bordure de la route (D762) en direction de Blanzat. Elle alimentait,
autrefois, des bassins de pisciculture ;
- Ja Grande Source de Reilhat (45°50*07"N, 03°03*42"E) est une émergence naturelle
de la coulée de Blanzat, dont l'écoulement est canalisé pour l’arrosage de jardins
communautaires. La morphologie tabulaire de ce secteur a en effet permis de
développer une agriculture variée (vignes, vergers, cultures...) ;
- À 200 m en aval, se trouve le captage de Reiïlhat (45°50’05"N, 03°03°52"E) qui
alimentait autrefois le réseau d'eau potable du Syndicat Basse Limagne et qui a été
abandonné au profit de la ressource d’Argnat, beaucoup plus abondante et bénéficiant
d'un périmètre de protection ;
- La galerie de captage de Malauzat au Nord de Reilhat (45°50°55"N, 03°03'OS"E) est
foncée dans la coulée de Blanzat. Elle est localisée à la limite entre formations
volcaniques et sédimentaires et est dominée par le village de Malauzat. A l’origine
utilisée pour l’alimentation en eau potable, sa qualité a conduit une commune voisine à
l'utiliser uniquement pour l’arrosage des installations sportives ;
- le lavoir situé dans le village de Blanzat (45°49°35"N, 03°0429"E) est alimenté par
une émergence (située sous une maison d'habitation) au niveau du contact entre la
coulée et les sédiments oligocènes de la plaine de la Limagne.
Ces sources font l’objet d’un suivi physico-chimique et isotopique mensuel. Des analyses des
rapports de strontium (sr/%68r) sont également effectuées lors de la campagne de mesure du
16/1/08 afin de préciser la nature des interactions eau-roches.
46 Chapitre I : Contexte de l'étude et méthodologie
1.4.2. Méthodologie analytique
I.4.2.1. Analyses physico-chimiques
Les mesures sont effectuées avec un multimètre WTW Multi 340i. Les paramètres physico-
chimiques (pH et conductivité électrique) sont mesurés au moment du prélévement de
l'échantillon hebdomadaire, La température est mesurée au niveau de l’emergence.
La conductivité électrique représente l'importance des concentrations ioniques en solution.
Plus la valeur de la conductivité est grande, plus la concentration ionique est importante, La
sensibilité de la sonde conductimétrique est de l’ordre de 0,5%.
Le pH correspond à la concentration en ion hydrogène ; une diminution de la valeur de pH
montre une acidification du milieu. La sensibilité de la sonde pH est de 0,01 unités pH.
1:4.2.2. Analyses chimiques
L'alcalinité est mesurée immédiatement après collecte des échantillons, à partir d'une
neutralisation à l'acide sulfurique (5.10 mol.l! de H:SO4 pour les précipitations 2.10?
mol.l! pour les eaux souterraines). L'acide est introduit progressivement à l’aide d’une
burette graduée ; le pH est mesuré à chaque nouvel ajout d'acide sulfurique. La concentration
en HCOz est déterminée au point d'équivalence à l'aide de la méthode de Gran.
La détermination des concentrations des anions (CI, SO, NO; PO) et des cations (Na”,
NH, K°, Mg”, Ca”) se fait par chromatographie ionique en phase liquide sur une colonne
DX320 et sur une colonne DIONEX ICS500, respectivement. Le seuil de détection est de
l’ordre de 0,1 umol.]!.
La concentration en silice dissoute (H4SiO4) est déterminée après ajout de molybdate et d’un
réactif acide, au moyen d’un colorimètre Hach Pocket Colorimeter IL La précision de la
mesure est de 2 mg.l''.
L.4.2.3, Analyses des rapports isotopiques (0/10, ?H/!'H, C/?C)
Les analyses sont réalisées par l’équipe de transferts lithosphériques du LMV, basé à Saint-
Etienne (Université Jean Monnet).
47 Chapitre I : Contexte de l'étude et méthodologie
a-Définition du delta (ô)
La détermination des signatures isotopiques en isotopes stables se fait de façon différentielle à
l’aide du rapport d'abondance R par comparaison avec un standard. Pour les rapports de
l'oxygène et de l'hydrogène, le standard est VSMOW (Vienna Standard Mean Ocean Water).
Pour les mesures de rapport des isotopes du carbone (8 C), le standard est une calcite d’un
rostre de bellemnite de la formation Pee Dee (Crétacé Supérieur) dont l’affleurement se
trouve en Caroline du Sud (USA).
Lre) 2H. Lei
Mi DE
=] Asus oo R'sandard
AVEC Üstandard = 0%a
Les résultats s’expriment en à ou en parts pour mille de différence par rapport au standard.
b-Les analyses isotopiques
Les mesures sont effectuées par spectrométrie de masse. La mesure des rapports isotopiques
de l’oxygène s'effectue sur un aliquot de CO; préalablement équilibré avec l’échantillon.
Les analyses de deutérium nécessitent la réduction préalable de l’eau sur un four à uranium à
très haute température. Le di-hydrogène dégagé est ensuite piégé dans des ampoules
contenant du charbon actif à très basse température.
Pour le carbone-13, les échantillons ont fait l’objet d’une réaction de précipitation du carbone
inorganique dissous, La solution est d’abord rendue fortement alcaline (pH > 12) puis l'ajout
d’une solution saturée en BaCl: conduit à la formation de carbonate de baryum. Ce précipité
est ensuite attaqué à l’acide orthophosphorique purifié. Le CO: dégagé peut ensuite être
analysé.
1.4.2.4. Analyses des rapports du strontium sr 58r)
Afin de préciser les modalités d'interaction de l’eau souterraine avec son environnement, les
rapports isotopiques de strontium (°7Sr/%Sr) ont été déterminés dans les échantillons prélevés
48 Chapitre I : Contexte de l'étude et méthodologie
lors de la campagne du 16/1/08. Pour cela, le strontium dissous dans l’eau est séparé
chimiquement sur résine spécifique selon un protocole inspiré de la technique classiquement
employée au LMV pour l'analyse des roches silicatées (figure 1-22) et définie par Pin et
Bassin (1992) et Pin er al. (1994). Dans la mesure où aucune phase particulaire n'a été
identifiée dans nos échantillons après passage à la centrifugeuse, ces derniers ont pu
directement être passés sur colonne sans digestion acide.
49 Chapitre I : Contexte de l'étude et méthodologie
15 mi échantillon 2% 0.5 mi HNO, 2
| |
O ©
Piégeage Et —+
(Sr spec)
D— jeté 0 —+ ité
3 ml HNO; TN 0.5 mi HNO; 2N
| |
© ©
0 —+ jeté Q ——+ jrié
3 mi HNO,005N
|
@)
——————+ Spectromètre de masse
Fr séparé
Figure 1-22 : Protocole de séparation du strontium.
L’éluant obtenu est ensuite évaporé puis déposé sur un filament de tungstène avec de l’acide
phosphorique. Cet acide visqueux permet d'obtenir un dépôt le moins étalé possible.
La mesure de la composition isotopique de Sr se fait par spectrométrie de masse multi-
collection. Les mesures ont été effectuées au LMV sur le spectromètre de masse à thermo-
50 Chapitre I : Contexte de l'étude et méthodologie
ionisation Triton (Thermo). La précision des mesures de rapport ‘’Sr/%Sr est de l'ordre de
1,10%, La reproductibilité des analyses a été testée au moyen du standard NBS 782 dont la
valeur du rapport est 0.71025.
51 Chapitre II
LE SIGNAL D’ENTREE DES AQUIFERES DE LA
CHAINE DES PUYS Chapitre II : Le signal d’entrée des aquifères volcaniques de la Chaîne des Puys
Ce chapitre traite de la caractérisation du signal d'entrée des aquifères. Les signatures
chimiques et isotopiques seront définies avant d'évaluer les quantités d’eau alimentant le
système d’Argnat. Les résultats obtenus constitueront le point de départ de l'étude des
transferts au sein des aquifères volcaniques.
Les mécanismes conduisant à la formation et à la minéralisation de la pluie seront présentés
ainsi que les sources émettrices des différentes espèces analysées dans l’eau de pluie, en
tenant compte du fait que la chimie de la pluie est à la fois tributaire des processus
d'acquisition pendant la vie du nuage (processus de rainout) et du lessivage sous le nuage
(processus de washout). Les données acquises à la station d’Opme seront traitées selon trois
approches : une étude statistique à partir d’une analyse factorielle de l'ensemble des analyses
chimiques, une discrimination des événements pluvieux selon la provenance des nuages, et
une analyse de l’évolution de la chimie à une échelle infra-événementielle. La signature
chimique et isotopique des précipitations sur le bassin d’Argnat sera également déterminée.
Ces méthodologies nous permettront d'évaluer l'influence de la climatologie locale sur
l'acquisition de la chimie et du marquage isotopique du signal d'entrée des aquifères.
Enfin, à partir de données de pluviométrie et de température, l’évapotranspiration séra estimée
et le signal d’entrée du bassin d’Argnat pourra être caractérisé d’un point de vue quantitatif.
55 Chapitre II : Le signal d’entrée des aquifères volcaniques de la Chaîne des Puys
I1.1. Caractérisation chimique des pluies à Opme
I1.1.1. Acquisition de la minéralisation de la pluie
11.1.1.1. Formation des précipitations
La formation des précipitations nécessite la condensation de la vapeur d’eau atmosphérique.
La saturation en eau est une condition essentielle au déclenchement de la condensation.
Divers processus thermodynamiques sont susceptibles de réaliser la saturation des aérosols
atmosphériques initialement non saturées et provoquer leur condensation (Musy et Higy,
2004) : 1) saturation et condensation par refroidissement isobare, 2) saturation et condensation
par détente adiabatique, 3) saturation et condensation par apport de vapeur d’eau, 4) saturation
par mélange et par turbulence.
La saturation n’est cependant pas une condition suffisante à la condensation. Cette dernière
requiert également la présence de noyaux de condensation (Condensation Cloud Nuclei :
CCN) autour desquels les gouttes et les cristaux se forment (Triplet et Roche, 1986). Lorsque
ces deux conditions sont réunies, la condensation intervient sur les noyaux. Il y a alors
apparition de gouttelettes microscopiques qui grossissent ensuite selon deux processus. Le
premier mécanisme correspond à la collision entre les particules qui a d’autant plus de chance
de se réaliser que l’air est plus instable et soumis à un violent brassage comme dans le cadre
d’un cumulonimbus (Triplet et Roche, 1986). L'accroissement des gouttelettes peut
également faire intervenir le mécanisme de Bergeron. Il est lié à la coexistence fréquente au
sein d’un nuage de cristaux de glace et de gouttelettes d'eau surfondue. A température égale,
la tension de vapeur saturante de l’eau surfondue est supérieure à celle de la glace. Il ÿ a alors
évaporation des gouttelettes. La vapeur tendant à devenir sursaturante par rapport à la glace, il
se produit un phénomène de condensation solide sur les cristaux qui grossissent aux dépens
des gouttelettes.
56 Chapitre II : Le signal d'entrée des aquifères volcaniques de la Chaîne des Puys
11.1.1.2. Rainout / Washout
Les particules et les gaz présents dans l'atmosphère influencent la chimie des précipitations.
Les éléments chimiques sont acquis par l'eau atmosphérique selon deux processus décrits
dans la littérature (Sasseville et Lachance, 1981 ; Garnaud, 1999 : Sicard, 2006) : le rainout et
le washout.
Rainout des aérosols particulaires
Le rainout consiste à l'incorporation des différents composés par les eaux atmosphériques au
cours de la formation des gouttelettes d'eau ou des cristaux de glace des nuages. Cette
incorporation se fait en plusieurs étapes.
- La nucléation correspond à la formation des gouttelettes sur les CCN. Elle débute dès la
formation des gouttelettes du nuage lorsque la sursaturation est atteinte. Cette sursaturation
varie avec le type d'aérosols mis en jeu, le degré de sursaturation critique de l’aérosol étant
déterminé par ses propriétés physiques et chimiques. Les calculs thermodÿnamiques montrent
que la sursaturation critique des particules solubles est inférieure à celle des particules
insolubles de même taille. De plus, les grosses particules favorisent davantage la condensation
de la vapeur d’eau (Meszaros, 1981). Ces considérations semblent tout à fait corrélées avec
les observations de Twomey (1971, 1972), qui montre que la majorité des CCN est composée
d’ammonium et de sulfates solubles dont les rayons sont supérieurs à 0,01-0,5 um.
Dès lors, la composition et la taille de la gouttelette se modifient sous l’influence d’un ou
plusieurs facteurs (figure I-1) : 1) la diffusion Brownienne (transport de l’aérosol par
agitation des particules vers un hydrométéore existant) : 2) la diffusiophorèse (transfert de
vapeur d'eau plus ou moins associée à des aérosols particulaires vers la gouttelette) ; 3) la
thermophorèse (transfert thermique d’aérosols lorsque la gouttelette est plus froide que son
environnement); 4) l’électrophorèse (migration des particules vers la surface de
l’hydrométéore, selon un gradient électromagnétique). Chapitre Il : Le signal d’entrée des aquifères volcaniques de la Chaîne des Puys
Figure IT-1 : Processus se déroulant lors du rainout des aérosols particulaires (d’après Hales, 1995),
Ces phénomènes sont le plus souvent réversibles. Un aérosol peut donc se retrouver sous sa
forme sèche dans l'atmosphère après un séjour dans une goutte de nuage.
Rainout des espèces gazeuses
Ce phénomène est tributaire de la loi de Henry sur la dissolution des gaz dans l’eau. Il
concerne les gaz traces, notamment SO», NH3 et HNO:, qui sont pour la majorité très réactifs
(les constantes d'équilibre gaz-eau à 25°C sont respectivement de 1,25 M.atm!, 57 M.atm et
3,46.10° M.atm'!). Ils sont par conséquent lessivés efficacement par les pluies (Mészaros,
1981).
Si un gaz hydrophile est amené à proximité d’un hydrométéore, il peut être intégré dans la
phase aqueuse, plus ou moins facilement selon sa solubilité, qui dépend de la température. Ce
processus est décrit par l'équation de Henry :
58 Chapitre Il : Le signal d’entrée des aquifères volcaniques de la Chaîne des Puys
[Caq}= KP gaz (équation 1)
où K est la constante de dissolution du gaz intrinsèque à chaque espèce gazeuse, pour une
température donnée et P.., sa pression partielle.
Ces dissolutions sont réversibles. En cas de changement de conditions (température, pression
partielle du gaz), les gaz incorporés dans la gouttelette sont susceptibles de retourner en phase
gazeuse.
Les gaz (HNO:, H2S0:, NH;) subissent, une fois en phase aqueuse, des réactions d'équilibre
acide-base :
HNO; (g) + HNO; (ag)
(équation 2)
HNO: (aq) + H°+NO;
Washout des aérosols particulaires
Ce phénomène est décrit comme un processus mécanique résultant de la chute des
hydrométéores lorsque ceux-ci ne sont plus maintenus en suspension par les mouvements
d’air ascendants (Meszaros, 1981). On parle alors de collecte par inertie pour laquelle on
différencie généralement (figure II-2) : l’interception, l’impaction et l’accrétion.
L'’interception n’a lieu que si la particule d’aérosol a un rayon fini. L’impaction ne se produit
que si la particule est de masse suffisante. Ainsi, l’efficacité de ces processus augmente avec
la masse et le volume de la particule. Pour Flament (1985), le washout concerne des particules
de taille supérieure à 2 um. L'accrétion correspond à la collecte d’une gouttelette par une
goutte plus grosse et précipitante.
59 Chapitre II : Le signal d’entrée des aquifères volcaniques de la Chaîne des Puys
hute
de
la goutte C
interception impaction
Chute de 13 goutte
Figure II-2 : Processus se déroulant lors du washout des aérosols particulaires (d’après Hales, 1995).
Origine des constituants dissous
La composition des pluies dépend de la nature et de la quantité des composés (gaz,
gouttelettes, particules) contenus dans l’atmosphère. Par conséquent, l’étude de la
composition chimique des pluies passe par la connaissance des sites de production de ces
différents éléments. Ainsi, trois sources sont généralement définies : marine, anthropique et
terrigène (Loye-Pilot, 1995 ; Klein, 1998 ; Celle, 2000). La figure II-3 résume les différentes
sources des éléments.
60 Chapitre Il : Le signal d’entrée des aquifères volcaniques de la Chaîne des Puys
Terrigène ! Marin Anthropique
Cat: HCO,-Mg#*-K+- INat- CI- Mgÿ- K*- SO Ca HO (B0,7-NO;- CO-NH,*
SOger, POUR. à Embruns NE, NO, NO 50, AS minérales ! ESA
L 1. { !
Figure II-3 : Principales sources de composés chimiques dans l'atmosphère (d’après Celle, 2000).
a- Les éléments liés à la source terrigène
L'origine des éléments terrigènes dans l’atmosphère résulte d’un processus mécanique, par
action du vent sur les surfaces continentales. Ce processus est principalement à l’origine du
mode grossier des aérosols (Diamètre > 1 um). Les éléments principalement associés à la
source terrigène sont le calcium, le magnésium. La mobilisation des terrains carbonatés par le
vent étant fréquente, ils peuvent être associés aux bicarbonates (contenu dans la calcite
[CaCO:;], ou dans la dolomite [CaMg(CO3)2]) lorsqu'ils se dissolvent dans la pluie. La croûte
terrestre est également constituée de minéraux silicatés que l’on retouve dans les roches
volcaniques ou plutoniques, mais leur faible altérabilité par le vent réduit considérablement
leur mise en suspension dans l’atmosphère. La faible couverture pédologique des espaces
cultivés favorise la mobilisation éolienne de ces poussières. A l'échelle du globe, les
principales zones de génération de poussières éoliennes sont les zones désertiques, notamment
le Sahara, dont les poussières mobilisées peuvent atteindre l’Europe. Localement, certaines
activités peuvent favoriser l'émission d'éléments terrigènes (cimenteries, pratiques agricoles
telles le labour, ......). Ces éléments terrigènes peuvent participer aux processus de
neutralisation de l’acidité dans l’eau atmosphérique (Sisterson, 1989 ; Hov and Hjollo, 1994).
61 Chapitre II : Le signal d'entrée des aquifères volcaniques de la Chaîne des Puys
b- Les éléments liés à la source marine
Sur les océans, la génération d’aérosols marins résulte du phénomène de bubling (pétillement)
de l’eau de mer. Sous l’action du vent, la crête des vagues se brise entraînant dans l’eau des
bulles d’air qui, en éclatant à la surface, projettent des microgouttelettes d'eau de mer. Ces
dernières sont emportées par le vent puis desséchées, donnant des aérosols dont la
composition chimique est voisine de celle du sel de mer. Ca”, Mg”, K* et SO; peuvent
provenir de la source marine mais les aérosols marins sont surtout pourvoyeurs de sodium et
de chlore ; le rapport entre ces deux éléments en éq.l'" dans l’eau de mer est de 1,17 (Michard,
1989).
c- Les éléments liés à l’activité anthropique
Les nitrates dérivent des oxydes d'azote présents dans la troposphère qui sont principalement
émis sous la forme de monoxyde d’azote NO, lors de la combustion de carburants (source
essentielle dans l'hémisphère Nord) ou de la biomasse. Le NO se transforme très rapidement
en dioxyde d’azote NO: (Finlayson-Pitts et Pitts, 1986) et on évalue communément la teneur
en oxyde d’azote dans l'atmosphère par la somme NO, = NO + NO.
Les NO, sont éliminés de l'atmosphère par oxydation de NO: en acide nitrique HNO;
(Calvert et Stockwell, 1984). Cet acide nitrique peut réagir ensuite sur différentes particules
où gaz présents dans l’atmosphère et donner des composés solubles dans l’eau selon les
réactions suivantes (Klein, 1998 ; Sicard, 2006) :
HNO: + H20 — H° + NOx + H20 (équation 3)
- attaque acide de HNO; sur de grosses particules marines
HNO; (g) + NaCI (p) — NaNO3 (p) + HCI (équation 4)
- attaque acide de HNO sur de grosses particules terrigènes
HNO; (p) + CaCO: (p) — CaNO3* + HCOs (équation 5)
- neutralisation de HNO: par NH:
NB (g) + HNO: (8) — NHINO; (p) (équation 6)
62 Chapitre II : Le signal d’entrée des aquifères volcaniques de la Chaîne des Puys
L'ammonium provient de la réaction entre NH) et les acides atmosphériques qui conduit à
la formation de sulfates d’ammonium et nitrates d’ammonium. NH est principalement
produit par l’agriculture - cette activité représente en 2006, 95% des émissions totales de la
France métropolitaine (CITEPA, 2008) - ou à proximité de sites industriels de production ou
d'utilisation d’ammoniaque.
Les activités anthropiques sont également à l’origine d'éléments initialement terrigènes ou
marins : 804. K*, CT, Na*, Ca*.
La production de sulfates peut résulter des activités urbaines et/ou industrielles
(consommation d’énergies fossiles) notamment dans l’hémisphère Nord. Les cheminées
d'usine, les procédés de chauffage et les transports émettent HS, et surtout SOz, qui
s’oxydent et s’hydratent pour former de l'acide sulfurique en microgouttelettes.
Le potassium et les chlorures peuvent résulter de la combustion de la biomasse (Zunckel et
al., 2003), ou d’ordures et d'essence (Sanusi ef al.,1996 ; Celle, 2000).
Le sodium et le calcium peuvent être associés aux émissions de certaines industries
(cimenteries, activités minières, ...)
Le salage des routes et la mise en suspension des aérosols qui lui sont associés peuvent
engendrer une augmentation des concentrations en chlorures et sodium (Sisterson et Shannon,
1990).
11.1.1.3.0rigines des masses d’air
Compte tenu de l'existence de diverses sources d'éléments émis dans l’atmosphère, la
compréhension des facteurs influençant la chimie de la pluie passe par l'identification de la
provenance des masses d'air. Les grands traits de la climatologie régionale ont étés présentés
au chapitre L En nous basant sur la direction et la vitesse du vent relevées par le centre
départemental de MétéoFrance à Clermont-Ferrand pour la période 1981-2000, nous avons
ainsi déterminé 4 secteurs d’origine, selon lesquels les événements ont été classés (figure II-4)
Le secteur 1 correspond à la façade Atlantique (22,5% des masses d’air), le secteur 2 au Nord
et à l'Est de l'Europe (28,3%), le secteur 3 au bassin méditerranéen (25,8%). Enfin le secteur
4 correspond aux masses d’air locales (22,4%).
63 Chapitre II : Le signal d'entrée des aquifères volcaniques de la Chaîne des Puys
Ep Æ,
LS a, Æ 2 2£
FF, PN 24 SJ
Figure II-4 : Secteurs de provenance des masses d’air.
Le parcours de la masse d’air, au cours des 72 h précédant son arrivée à Opme, est calculé
pour chaque événement (figure II-5) pour trois altitudes (900 m, 1500 m, 3000 m) à l’aide du
modèle de transport et dispersion HYSPLIT (HYbrid Single-Particle Lagrangian Integrated
Trajectory ; Draxler et Rolph, 2003) du National Oceanic and Atmospheric Administration’s
Air Resources Laboratory.
64 Chapitre Il : Le signal d’entrée des aquifères volcaniques de la Chaîne des Puys
NOAA HYSPLIT MODEL
Backward trajectories ending at 23 UTC 03 May 06
GDAS Meteorological Data
Figure II-5 : Exemple de calcul de trajectoire de masse d’air pour la journée du 3/5/06.
65 Chapitre II : Le signal d’entrée des aquifères volcaniques de la Chaîne des Puys
IL.1.2. Etude de la variabilité de la composition chimique de la pluie : Résultats
de la campagne de prélèvements à Opme : « Rainfall chemistry: long range
transport versus below cloud scavenging. À two-year study at an inland station
(Opme, France) »
Guillaume Bertrand, Hélène Celle-Jeanton, Paolo Laj, Jérôme Rangognio, Gilles Chazot
Article soumis à Journal of Afmospheric Chemistry, accepté le 03 avril 2009
11.1.2.1. Introduction
The chemical composition of precipitation is strongly linked with aerosols (both particles and
gases) carried by rainwater (Junge, 1963). They are removed from the atmosphere by two
scavenging processes (Meszaros, 1981; Huang et al., 2008): 1) the rainout corresponds to
condensation processes within the clouds during their formation and travel, 2) the washout is
characterized by the impaction with falling raindrops. In this way, the rainfall signature
integrates both the long-range transport of chemical species by clouds and the local
scavenging of atmospheric aerosols during the rain event. These figures vary strongly both
from event to event and within a single event because rainout and washout proportions
strongly depend on the environment of the sampling site (urbanized, rural or remote). It is a
function of the aerosol loading and its vertical distribution in the lower atmosphere (Lim et
al., 1991). Therefore the composition of rainwater depends both on the meteorological
context, which influences clouds and raïns characteristics and on local/long-range transport of
aerosols and their spatial distribution (Durana et al., 1992). The sources of dissolved
components in rainwater has often been classified in different categories based on air mass
origin (Celle, 2000): 1) marine source which essentially provides Na* and CT, 2) terrestrial
source e.g. soil dust (Ca, Mg”, HCO;), 3) anthropogenic sources e.g. traffic, industry,
agriculture and burning of vegetation mainly associated with NOx, K', SO, NH.
Moreover the atmosphere constitutes a reactive medium, Some aerosols can interact to form
new species in dry air before their dissolution in the meteoric water. This latter can also
induces further reactions due to the presence of ionie species. These interactions result in a
wide range of chemical composition, as well as in variations of pH (Berner and Berner, 1987;
Cyrys et al., 1995).
Sources and chemical interactions are difficult to discriminate analytically but their relative
contributions could be estimated by a coupling of chemical composition and meteorological
66 Chapitre II : Le signal d'entrée des aquifères volcaniques de la Chaîne des Puys
data (Beverland et al., 1998; Avila et Alarcon, 1999; Celle, 2000; Huang et al., 2008; Celle-
Jeanton et al., 2009). In this purpose, 217 precipitation events and 204 infra-event samples
have been collected during the November 2005-October 2007 period at Opme meteorological
station (Massif Central, France) and were characterised as a function of their air mass back-
trajectories.
The objectives of such an approach are: 1) to evaluate the role of the long-range transport and
characterize the distant sources of aerosols and 2) to determine how local meteorological
variables and environmental features could influence the chemical signature of rainwater at a
small temporal scale.
11.1.2.2. Methodology
Sampling site
The sampling device has been settled at Opme meteorological station (45°43°N, 3°5°30°E, z
= 650 m) belonging to Observatoire de Physique du Globe de Clermont-Ferrand. The meteo-
station is located 8 km south of Clermont-Ferrand urban district, characterised by a population
of 260 000 inhabitants (INSEE, 1999), and which constitutes the main regional activity centre
(industries, tertiary sector). Surrounding this area, land occupation mainly consists on cereal-
growing in the eastern part (Limagne basin) and on rearing or forest on the western part
(Chaîne des Puys). The lithology mainly consists of sedimentary deposits on the Limagne
basin and crystalliné basement (volcanic and granitic) on the west (figure II-6).
67 Chapitre II : Le signal d'entrée des aquifères volcaniques de la Chaîne des Puys
Aurillac
C1 Volcanic deposits |
= Tertiary sedimentary rocks
Crystalline basement
Figure II-6: Location and geological settings of the studied area.
In addition to the collection of rainwater, the recorded parameters are: rainfall intensity
(mm/h), temperature (°C), wind speed and direction. Daily rainfalls have been collected
through an automatic precipitation collector (Bigenbrodt NSA 181/KHS) with a 500 cm
aperture. À precipitation sensor causes the cover device to open up the collection funnel at the
start of precipitation and then avoids dry depositions in wet samples. Precipitation flows from
the funnel down a bottle tray built in with 9 collecting bottles of 1litre each: one bottle for
each day of the week and the additional 9% bottle is thought as an overflow for extremely high
precipitation. When precipitation has ceased and after evaporation of the sensor surface the
funnel lids closes automatically. The system is refrigerated at 5°C and allows a good
conservation of samples that are collected once a week. After the sampling, the bucket is
systematically cleaned with distilled water. It has to be noted that some events were not
analysed for they are too small in volume (analyses require a minimum rainfall volume of 15
mil). Moreover, due to the defection from the cover device, some events were not sampled. In
spite of this, the sampling of 89% of the total rainy days of the period was performed.
68 Chapitre II : Le signal d’entrée des aquifères volcaniques de la Chaîne des Puys
The sequential sampling of rainwater was carried out using a modified version of Bourrié’s
device (1978; Celle-Jeanton et al., 2004) which is located near the total rain collector. This
collector of 1134 cm? area is feeding a set of 10 vials of 100 ml which are successively filled
by the way of a three-way pipe. It enables the collection of rains up to 17.6 mm. Laboratory
tests assessed that mixing between successive vials is about 3% (Rangognio, 2006).
Analytical methods
Upon sampling, the rainwater was taken to the laboratory where electrical conductivity (EC)
and pH are measured with WTW Multi 340i. HCOz concentrations are determined by
titration with a 5.10% M solution of sulphuric acid. Samples were subsequently poured into
standard 100 ml polyethylene flask for further analysis and stored at 4°C for further chemical
analysis of anions (SO4”, CI, NO; and PO:*) and cations (Ca*, Na*, NH4°, K*, Me”).
Concentrations of ionic species were determined by ion chromatography, using a DIONEX
DX320 chromatograph with a AS11 column for anions. This system uses an eluent generator
to convert pure water into potassium hydroxide eluent through electrolysis for anions
separations. A DIONEX 1CS500 chromatograph with a CS16 column was used for cations
determination. À methanesulfonic acid eluent was used for cation separations, The analysis
method is similar than the one described by Jaffrezo et al. (1998) and Ricard et al. (2002). The
flow rates of eluents were 1 ml/min. The detection limits are 0.05 meq/l for CT, 0.1 ueq/l for
NO, 0.6 ueq/l for SO and PO4”, 0.06 ueq/l for Na*, 0.04 ueq/l for NH4*, 0.3 ueq/l for K*,
0.1 ueqg/l for Mg* and Ca*. The uncertainty of these chromatograh systems is 5%. In order to
assess the validity of the sampling device, blanks were determined for the analysed elements.
The highest value were 1.0 ueq/l for sodium and 0.7 ueg/l for calcium, the other elements
were not detected. The charge balance between anions and cations was assessed through
linear regression analyses of the data. The results yield value of 0.93 for the regression
coefficient indicating the completeness of measured parameters.
11.1.2.3. Results and discussion
Rainfall main characteristics
Table 1 shows the statistics calculated for the chemical parameters measured in the rain
samples collected at Opme from Nov-2005 to Nov-2007. Minimum and the maximum values
69 Chapitre II : Le signal d'entrée des aquifères volcaniques de la Chaîne des Puys
of each chemical parameter emphasize the high variability of the chemical composition and
mineralization of rainwater.
E.C. pH HCO CT NO; SO POS Na NH K° Mg” Ca” Arithmetic Mean 17.5 54 32.1 23.0 39.2 288 07 239 285 55 78 399 Minimum 20 34 0.0 08 00 00 00 06 0.0 01 03 2.0 Maximum 960 7.1 200.0 2114 3249 1348 374 2505 925 412 540 4133 Volume-Weighted
mean
125 5.1 27.4 115 260 24.7 0.3 12.0 24.4 31 52 33.9
Table 1 : Major ionic constituents (ueg-l') of the 217 sampled rains during the study period (Nov 2005- Nov 2007)
This variability can be due to the rain amount (Al-Momani et al., 1995; Khwaja and Husain,
1990; Hicks and Shannon, 1979) as can be seen on figure II-7 or to the influence of various
chemical sources. In this context, one way to keep out the influence of rain quantity is to use
the volume-weighed mean of concentrations to characterize the general features of the
precipitation chemistry.
E.C. (uS/cm)
NE El = a & = LA a
H Gami)
Figure II-7: Relationship between precipitation heigh and conductivity of rainwater.
At Opme meteo-station, the volume-weighed mean pH is of 5.1, showing a tendency of slight
acidity of rainwater. Generally, unpolluted precipitations are known to be weakly acid due to
their equilibrium with atmospheric COz. Then, the pH of chemically undisturbed rainwater is
about 5.7 (Berner and Berner, 1987). The acidic feature is common in industrialised countries
(Tost et al., 2007) and is due to anthropogenic emissions such as SO, and NO,. The volume
70 Chapitre II : Le signal d'entrée des aquifères volcaniques de la Chaîne des Puys
weighted mean (VWM) concentrations of the major ionic species are in the following order:
Ca* >HCOz; >NO; >S047 >NH4° >Na* >CI >H30* >Mg* >K* >POS*. Rainfalls chemistry
appears then to be mainly influenced by elements coming from terrestrial and anthropogenic
sources. Except for SO, Negrel and Roy (1998) found similar concentrations at Sainte-
Marguerite site (12 km to the east from Opme). However concentrations of Sers analysed
during the period Nov-2005 to Nov-2007 are two times lower than the ones of Sainte-
Marguerite measured in the period Mar-1994 to Apr-1995. This difference could be explained
by the general decrease in sulphur emissions between 1986 and 2001 observed in Europe
(Fowiler et al., 2005); in Great Britain, the sulphate concentrations in rain drops decrease of
47% during the 1986-2001 period; in continental Europe reductions in SO: emissions of
decrease by 72% during the same period.
Source and processes affecting the rainwater mineralization
To evaluate the main geochemical sources of dissolved compounds in the rainwater, inter-
species relationships could be investigated through a multivariate statistical analysis. A
factorial analysis coupled with varimax rotation permits to determine the preferential
association between the chemical species in rain (Plaisance et al., 1996; Simeonov et al.
2003; Zunckel et al., 2003). Principle factor analysis was applied to the 217 chemical
analyses. Consecutive factors are uncorrelated or orthogonal to each other. Factor loadings
correspond to the correlations of each variable with the factor. Therefore, the more the
absolute value approaches one, the more the variable is correlated with the factor. À negative
variable loading indicates that it varies in opposite direction to the variables with positive
signs. Three factors have been used in this analysis, giving each variable a loading within
each factor, Loadings greater than 0.5 are considered to be significant components of the
factor. The three factors explain 99.7% of the total variance of all the data (table 2).
71 Chapitre Il : Le signal d'entrée des aquifères volcaniques de la Chaîne des Puys
F1 F2 F3
H0* 9111 0.041 -0.420
HCOy 0.326 0.044 0913
cr 0.081 9997 0.005
NOz 0894 0.207 -0.095
SO 0874 0.257 0.125
PO#- 0.338 -0.042 0.184
Nat 0.124 0920 -0.088
NH 0764 0.146 0.035
E* 0.341 0.260 0.300
Met 0.480 o711 0.305
Cat 0532 0.184 0.606
9% oftatal variance 417 356 234
Neut. Marine _ Terrestrial
Table 2: Varimax rotated factor loadings, total variance and the determination of the main different sources.
The first factor (41.7% of the total variance) suggests the association of anthropogenic species
(NO, S047, NH‘) with Ca” mainly of a terrestrial origin. The relatively high loading in
Mg* (0.480) allows associating this element to factor 1, that then represents neutralisation
process. In fact, these well-correlations between ions result from atmospheric chemical
reactions, probably from the reaction of the H2SO4 and HNO: acids with alkaline compounds
rich in Ca* and Me* carried into the atmosphere. Neutralisation of HNO;, and H:SO4 by
soil-derived particles and by ammonia emissions can form aerosols such as NH4HSO:,
(NH4)>SO4, NHANO:, Ca(NOs)2 and CaSO, (Sisterson, 1989; Hov and Hjollo, 1994). The
second factor (35.6% of the total variance) highlights the association of Na”, CI and Mg” and
then corresponds to the marine origin. The third factor associates calcium and bicarbonates
(22.4% of the total variance). This factor 3 expresses the control of the terrestrial source that
could influence the alkalinity of the atmospheric water due to carbonate dissolution.
Many studies pointed out the role of meteorological factors in determining the chemical
features of precipitations (Beverland et al., 1998; Avila and Alarcon, 1999; Celle-Jeanton et
al., 2009). To investigate the origin of components, the chemical content of the 217
precipitation events sampled during our study have been coupled with the corresponding air
mass back trajectories. Chapitre II : Le signal d'entrée des aquifères volcaniques de la Chaîne des Puys
Influence of long-range transport: rain-out
Air mass back trajectories were calculated for each sample by using the NOAA HYbrid
Single-Particle Lagrangian Integrated Trajectory Version 4 (HYSPLIT4) model (Draxler and
Rolph, 2003; Rolph, 2003). The back trajectories were calculated for a three days period and
for three altitudes: 900 m, 1500 m and 3000 m. Dataset of winds’ speed and direction (1981-
2000, MétéoFrance) allows calculating the main air masses origin and thus permits to
approach the weather patterns of Clermont-Ferrand. Four main transport patterns have been
segregated: sector 1 that consists of air masses coming mainly from Atlantic Ocean (22.5% of
air-masses origin), sector 2 that corresponds to Northern and Central Europe (28.3%), sector 3
towards the South including Iberian Peninsula and Northern Africa (25.8%), a regional sector
4, with a corresponding wind’s speed lower than 2 m/s, corresponds to 22.4% (figure II-8).
73 Chapitre II : Le signal d’entrée des aquifères volcaniques de la Chaîne des Puys
Figure Il-8: Main identified sectors for air masses trajectories arriving at Opme: (1) West, (2) North and East, (3) South including Iberian and Italian Peninsula and (4) Local.
Chemical contents for each sector were determined taking into account the role of the
different sources of mineralization highlighted by the factor analysis previously depicted. In
particular, some ions result from the contribution of both sea-salts (ss) aerosols and non-sea-
salt (nss) species. The sea-salt input is determined by assuming that all Na* (Brewer, 1975) is
provided by the marine source and that the proportionate amount of ions as C', SO , Mg*,
K*, Ca?*, are derived from sea salts.
Statistical results and distribution of pH are presented on table 3 and figure II-9, respectively.
74 “8107998 [8180[0109oUx NO 2} 107 sjuouodur09 urex omuor 10feux Jo (bar) onjea ueour payée M1€ 9IQUL, SLT89€ For F8 099 TES 7 GET goro soro €£T L'O 01 Lo LTTEvELevsL+gt07 sl 61 vT07 TE gtSr 0€ 67l'Egt499LvDETT ro To To To90 £o soEr £'8T STE FI TLIThe £'EE s'8l 00€ go 98 LA L'6 JE 9'SI LT CA ra DIE ST oo! 6€ 9'SE A or to otgot rI S'OT 61 get LT CN ro 9'01 £'0 o'8l L'O FIL go 99 08 LIT v8 10€ SE JET L'vt ttto £o 00 vs rl To 00 var L'6T 9'EI 691 S'Es ETS TSI 091 IT TTETLE 997STE EST 6'8t HT 90Es LO rs L'O gt Lo rs 02 2 ro 9,6 L'TI s'6l 0'8 Tor A9P DIS-M-AUWOIA-M-A |A9PPIS-MA UWIA-M-A [AP PIS-M-A UWA-M-A [AP PIS-M-A UMA ZA £0E 6L1 60€ SRE trIS6SLSJU94970AN + 10P2S £ 10726 T 40pP9$ST 10P9$S © + A ©
0
17L=1 T | LY ° à 5 +8 LT e ; LTT 0 |T L+ ls © 5 LOT ÆTT
+8 oT LTI +FT 91 81 OT 0 $ {0T ST [ira 0€ LSE
SUSAA SUOAT Chapitre II : Le signal d'entrée des aquifères volcaniques de la Chaîne des Puys
In order to determine the preferential neutralisation process, the linear regression between
nssCa* (provided by terrestrial dusts such as CaCO: or CaMg(CO:)) or NH4° with acidic
species (NO and nssSO4?) are reported on figure II-10.
The chemical content of rainfalls coming from sector 1 is dominated by non sea-salt calcium
{nssCa* = 23.9 ueq/l) and bicarbonates (24.1 ueq/l), but is also influenced by anthropogenic
species ([NH4‘] = 20 ueq/i, [nssSO:Ÿ] = 16.8 ueq/i, [NO3] = 16.0 ueq/l). Sodium and
chloride concentrations show the influence air masses coming from the Atlantic Ocean.
Whereas a major marine source could be expected featuring atlantic events, it comes out that
terrestrial and anthropogenic sources mark their chemical feature. This observation is in good
agreement with the study of Rahn et al. (1982), who show that aged maritime air masses often
contain a high proportion of submicron crustal and anthropogenic particles due to their long
atmospheric residence times. The high content of calcium in rainfall was also shown, for rain
events on the Atlantic coast, by Beysens et al. (2006) who indicated that the source of high
concentration in calcium could be due to the removal of soils particles but also originate from
agriculture activities. It would be consistent with VWM ammonium concentrations (20.0
ueq/l). Although 4 samples are acidic (pH< 4.5) and 9 have pH > 6.5, 31 events have a nearly
neutral pH. Figure 11-10 shows the good relationships between nssCa* and (NOz + nssSO4”),
NH4* and (NO; + nssSO:”), R = 0,77 and 0.74, respectively, and attests consequently that
neutralisation can frequently occur in air-masses coming from the sector 1.
Rainwater coming from the sector 2 presents high concentrations of NO’, nss$SO4 and NH4*
(respectively 52.3 ueq/l, 35.6 ueg/l, 33.3 ueq/l, Table 3) and the highest total mineralization
of the four sectors. This group also exhibits the highest VWM in non sea-salt calcium (53.2
ueq/l) due probably to the removal of Ca-rich dusts. Such influence was highlighted by
Sanusi et al. (1996) in northern France; they particularly pointed out the role of loess that can
be easily removed from the Alsatian basin, High mineralization correlated to high content in
anthropogenic components let appear that condensation nuclei are numerous and mainly
constituted of polluted aerosols. An increase in cloud condensation nuclei concentration
causes an increase in the number of cloud droplets (Reade et al., 2006).
Low mean pH of 4.8, (Table 3, figure I-9) indicates potential acid influences of air-masses
coming from this sector. This feature is consistent with the low value of correlation
77 Chapitre II : Le signal d’entrée des aquifères volcaniques de la Chaîne des Puys
coefficient (R = 0.46, figure 11-10) between nssCa* and [NO3+ nssSO4]. Concerning the
interaction between NH4° and [NO;+ nss$O:?1, the correlation is better (R = 0.73), showing a
preferential neutralisation with this element. However, the low slope of this relation (a = 0.15)
and the acid pH distribution (figure II-9) may indicate that it is poorly effective. These
observations are reliable with the results of Plaisance et al. (1997) who show the existence of
important sources of NO: and SO; in the industrial and urban regions of northern and central
Europe, showing the importance of anthropogenic emissions to the high acid events that occur
in France.
78 Chapitre Il : Le signal d’entrée des aquifères volcaniques de la Chaîne des Puys
*
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Figure I1-10: nssCa”* versus (NO; + nssSO.7) and NH‘ versus (NOz + nssSO4?) for the four meteorological sectors.
79 Chapitre Il : Le signal d’entrée des aquifères volcaniques de la Chaîne des Puys
The chemistry of rainfall events from sector 3 is dominated by non sea-salt calcium (28.4
ueq/l) and bicarbonate (26.6 ueg/l), which could be attributed to dissolution of calcareous
dust in rain originated from Mediterranean region (Plaisance et al., 1996; Avila et al., 1997;
Avila et al., 1998). The weighted mean concentration of ammonium, non-sea-salt sulphates
and nitrates are relatively low: 17.2 ueq/l, 16.0ueq/l, 16.9 ueq/l, respectively. Distribution of
pH is similar to the one of sector 1. For these two groups, the neutralisation effect maintains
pH close to the neutral threshold. Figure 11-10 indicates that neutralisation is mainly due to
NH4° (R = 0.86) for sector 3. Weak concentrations in anthropogenic components are not in
agreement with the observation of Ezcurra et al. (1988) and Diaz-Caneja et al. (1989). These
authors quoted that polluted rains for northern Spain were mostly associated to industrial
sources in Southern France and Northern Spain. This difference could be explained by the
presence of the Cévennes massif located between Mediterranean area and sampling site and
that plays the role of an orographic barrier. Such hypothesis is consistent with the low
concentration in marine species. Indeed, if air-masses from the South are partially stopped
and precipitated, it would mean that most of clouds precipitating at Opme were supplied by
closer sources of aérosols mainly emitting calcareous material. This assumption is reliable
with the proportion between nssCa%* and the acidic species (a = 0.93).
Sector 4 is represented by rainfalls events produced by local influences. This group present
high weighted mean value in non-sea-salt calcium (36.8 ueq/l), bicarbonates (32.2 ueq/l),
non-sea-salt sulphates (31.0 ueq/l), ammonium (31.8 ueq/l) and nitrates (29.7 ueq/l). This
tendency underlines the influence of the local environment, as Opme is located near
Clermont-Ferrand urban district and Limagne basin that could also provide anthropogenic and
terrestrial material from cultivated lands. Sea-salt chloride and sodium present the lowest
mean concentration (8.0 and 8.6 ueq/l, respectively) of the four sectors, due to the inland
origin of air-masses. Correlation coefficients between [NO:+ nssSO4”] / nssCa?* (R = 0.74)
and [NO3+ nss$O:?] / NH4° (R = 0.77) show that neutralisation is non-specific for sector 4
and explain that more than 50% of the events of sector 4 present a pH >5.5.
Neutralisation processes during air masses travel are then very efficient, especially for sectors
1,3 and 4 due to intervention of nssCaŸ* and NH4* that act together. Concerning the sector 2,
the weak neutralisation of acidity could be due to the weak proportion of NH4° content
according with acidic species. Moreover, the dissolution of ammonium could lead to enhance
the solubility of SOz, This could constitute a negative feedback on the neutralisation process
(Finlayson-Pitts et Pitts, 1986). Ca* appears to be the dominant ion of all the sectors. Then,
80 Chapitre II : Le signal d’entrée des aquifères volcaniques de la Chaîne des Puys
among specific characteristics of each sectors, observation show the importance of long-range
transport on rainfall chemistry at Opme météo-station.
Influence of local scavenging: washout
Sequential sampling enables the investigation of the variability of the chemical composition,
and thus the evaluation of scavenging processes (rainout or washout) during rain events
(Meszaros, 1981; Seymour and Stout, 1983; Durana et al., 1992; Lim et al., 1991; Pelicho et
al., 2006; Germer et al., 2007; Celle-Jeanton et al., 2009). For this purpose, 29 rain events
were sampled during the period Dec 2005- May 2006 using a sequential rain collector.
Our purpose is to follow the evolution of rainfall chemistry during rain event and to determine
the local contribution during washout. Taking into account the whole data set, figure II-11
shows that the decrease of concentration concerns all the measured species, except H30*. An
average of 53% of the total mineralization is removed in the first three fractions (precipitation
height = 2.6 mm), this value varies from 28% to 76%.
60 —— - a — — - D 1#fraction O1 22 fraction
50 ® fraction M last fractions
40 -
=
3 304
20
10 + Ill
0 T
HCO; CF NO; SO Na NH! K' Mt Ca* HLO*
Figure II-11: Mean chemical content evolution for the 29 fractionated sampled events.
This indicates that the below cloud scavenging generally dominates the removal of
atmospheric components in the region. Then a further gradual drop to approximately constant
values is observed and represents the in-cloud processes contribution to rainwater chemistry
(Gonçalves et al., 2002).
81 Chapitre II : Le signal d’entrée des aquifères volcaniques de la Chaîne des Puys
This indicates that the below cloud scavenging generally dominates the removal of
atmospheric components in the region. Then a further gradual drop to approximately constant
values is observed and represents the in-cloud processes contribution to rainwater chemistry
(Gonçalves et al., 2002).
In order to understand associations between chemical species during events and to determine
the role of meteorological features, four of these 29 rainfalls have been selected according to
their similar rainwater amount (between 7.1 and 9.7 mm) and air mass back trajectory: rainfall
of 23-24/03/2006 belonging to sector 1, 11/04/2006 to sector 2, 06/05/2006 to sector 3,
07/05/2006 to local sector. Table 4 presents statistics of rainfall amount, electrical
conductivity, pH, direction (in degree, 0° is the North; 180° the South) and speed of wind for
each selected event. Figure Il-12, 11-13, I-14 and 11-15 show the evolution of rainfall height
and chemical content during the 4 selected rain events
82 Chapitre Il : Le signal d’entrée des aquifères volcaniques de la Chaîne des Puys
ci
NO
nssSO,
NH,
neq/l
O0
|| —H0
|
Figure 1-12: Evolution of the chemical content and rainfall height for the 23-24/03/2006 event coming from sector 1.
83 Chapitre II : Le signal d’entrée des aquifères volcaniques de la Chaîne des Puys
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LL un EH n
DT Er 06
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nssSO FT
ls, NO |
L/: LEMÉÈEÈDEE ' ==--N# |" = |
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mi
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peqil
——H.0
mel
ua) Figure J1-13: Evolution of the chemical content and rainfall height for the 11/04/2006 event coming from
sector 2.
84 Chapitre II : Le signal d’entrée des aquifères volcaniques de la Chaîne des Puys
ms
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ns
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—]
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+ NU,
--nss$O,
NO
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100
— HO
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Figure II-14: Evolution of the chemical content and rainfall height for the 06/05/2006 event coming from
sector 3.
85 Chapitre II : Le signal d’entrée des aquifères volcaniques de la Chaîne des Puys
40
30
20
10
F
6
pe
13
nssCY
-- HCO
— Na
— 0
Figure 11-15: Evolution of the chemical content and rainfall height for the 07/05/2006 event coming from
sector 4.
86 Chapitre II : Le signal d'entrée des aquifères volcaniques de la Chaîne des Puys
Mean Wind Mean Wind MeanEC Mean Event Provenance Duration Hémmj Fractions speed ans) direction ©) luc) pH
25-24105/06 Sector 1 2h15 73 E 5,5+07 167 +8 163480 59+02
11:04/2006 Sector 1 4h 00 TI 8 33411 2649 + 60 6S+19 S55S+012
ü6/05 2006 Sector 3 4h30 9.7 on 20+16 134 +75 180+100 5.3+04
07052006 Sector 4 1h00 93 10 25+16 117 +63 Té+29 54204
Table 4: Mean characteristics of the four fractionated events.
The first fraction of the 23-24/03/06 event, coming from sector 1 (figure 11-12), is
characterised by the dominance of the NO3, nssSO:* and NH4* (49%) whereas nssCa**,
nssMg* and HCO; account for 29% and Na* associated with ssCT and sea-salt fractions of
CI, S047, Ca?*, Mg°*, K° for 22%. Last fraction of sector 1 is dominated by the terrestrial
source (45%). This could be due to local anthropogenic influences. The relatively low acidity
measured in all the sub-samples could be explained by neuiralisation process by terrestrial
species. Marine contribution is almost constant; a small decrease could be quoted from the
beginning of the rain-event (22%) to the end (19%).
First and last fractions of the 11/04/2006 event, coming from sector 2 (figure 11-13), show a
predominance of anthropogenic components. In between, from fractions 4 to 6, contribution
of anthropogenic source decreases whereas marine and terrestrial source supplies are
relatively constant. At the end of the event, an increase in NO;, NH, nss$O and H30* and
the absence of decrease of the rainfall intensity may indicate a local recharge of
anthropogenic and terrestrial species. The significant value of the wind speed during the event
(5.5 m/s) coming from the North would indicate the influence of Clermont-Ferrand urban
district. Moreover a rapid raise of the acidity is observed at the end of the event and attests
that neutralisation of acidity can be observed preferentially at the beginning of a precipitation
event due to carbonate dissolution.
The first fraction of the 06/05/2006 event, coming from sector 3 (figure I-14), is marked by
high NOz, nssSO, nssCa** and HCO3; content. The first sub-sample is the result of little
rainfall episodes occurring before the beginning of the major part of precipitation. The
chemical content decreases from fraction 1 to 5. An interruption of the rain, between 13h15
87 Chapitre II : Le signal d'entrée des aquifères volcaniques de la Chaîne des Puys
and 13h45, allows a reloading of the below-cloud atmosphere that affects more peculiarly
anthropogenic components. This fact can be related to a possible contribution of local sources
of pollutants or a reloading of clouds by long range transported components; although the air-
mass that generates the whole event of the 06/05/2006 is coming from the South, for the
period comprised from 13h and 14h30, the wind comes from the North.
The 07/05/2006 event due to local weather pattern (figure II-15) shows high concentrations in
HCO: and NH4*. From the beginning to the end of the rainfall event, concentrations of all
components decrease, except [H:0*]. This indicates an efficiency of the below cloud
scavenging process. Increasing acidity can be due to the removal of carbonated species below
cloud as it can be seen with the decrease of non sea-salt calcium, bicarbonates and
ammonium. Indeed, the concentration of this latter is three times lower at the end of the event
than in the first sample.
The slight increase of the concentrations in NO;, NH:"', nssSO4” for the 7% and the 8*
samples corresponds to lower rainfall intensity (e.g. coming from less diluted parts of cloud)
whereas concentrations in other components remain constant. This implies a great
contribution of anthropogenic species as long-range aerosol loading ie. condensation nuclei.
Changes in solute concentrations over time within events are likely to be a function of the
relative fraction of fine to coarse aerosols (Germer et al., 2007). The fine aerosol fraction (< 5
um) is predominant within clouds and responsible for rainout (Lim et al., 1991), while the
coarse fraction of aerosols, which is subject to gravitational deposition, is more important in
washout (Seinfeld and Pandis, 1998; Saha and Moorthy, 2004). Indeed, the collection
efficiency varies mainly with the size of the aerosol particles (Chate and Kamra, 1997; Chate
et al., 2003). Gaseous species such as NO,, SO, and NH3 are then predominantly removed
during in-cloud processes, whereas coarse mode (terrestrial species) is efficiently deposited
during washout. Wet deposition of H3O* increases during the event, the highest part being
deposited in the last precipitation sample fractions. This increasing acidification may be due
to the high neutralisation effect at the beginning of the event. This effect can happen when
raindrops impact and dissolve atmospheric particles containing alkaline substances, especially
carbonates.
Neutralising species can be also associated with NOy, nss$O: and NH4', forming NH4NO:,
(NH4)SO4 Ca(NO3h, CaSOs, as can be seen from the important flux of anthropogenic
88 Chapitre II : Le signal d'entrée des aquifères volcaniques de la Chaîne des Puys
species such as non sea-salt calcium in the first sample, It would be consistent with the fact
that anthropogenic species remain an important source and that acidity flux is low at the
beginning of the event. This fact is linked to the acidity evolution during the four events. The
major H:0* flux occurs during the last fractions of the rainfall event. The rural environment
of Opme consists of agriculture land and calcareous Oligocene fields and is then an important
source of neutralising species (calcium carbonate). This local characteristic may justify the
dominance of calcium in the composition of rain coming from the four air-masses patterns.
The proximity of Clermont-Ferrand agglomeration can also induce anthropogenic feature of
the rainwater at the beginning or during the event. These facts highlight the importance of
local meteorological conditions (speed and direction of wind, humidity of ground) to
understand chemical signature of à single rain event.
IL.1.2.4. Conclusion
Based on 217 rain samples, this study primarily shows that rainfall chemistry at Opme meteo-
station is dominated by terrestrial elements with a quite neutral pH. The statistical approach
through a factor analysis, revealed that neutralisation is the main process affecting the
rainwater chemistry, in agreement with pH measurements.
Taking into account the main air-masses pattern at Opme, this work reveals différences in
solute concentrations according to geographical long-range origin. Indeed, whereas sector 1
(Atlantic) and sector 3 (Mediterranean) events are the most diluted, the concentrations
increase markedly in the events coming from the sector 4 (local) and the sector 2 (Northern
and Eastern Europe). This is probably due to the high flux of aerosols in this industrial area of
Europe. In particular it was shown that nitrate and acidity are preferentially carried by these
rain events. The highest concentrations of marine species (Na’, ssCT') and in nssCa?* are also
measured for sector 2. Concerning the neutralisation, it was demonstrated that this process is
unspecific (involving both nssCa”* and NH4*) for sector 1, 3 and 4, but it concerns only NH4*
for sector 2. This characteristic can restrain the neutralisation process and account for the acid
PH distribution of this last sector.
Considering the chemical variability during four single events, it appears that the major part
of chemical content is scavenged during the three first fractions of the rainfall. This highlights
the great influence of washout on the final composition of the rainwater. It especially
contributes to the deposition of large terrestrial aerosols, which neutralise acidity of the first
89 Chapitre Il : Le signal d'entrée des aquifères volcaniques de la Chaîne des Puys
fractions of rainwater and anthropogenic species coming from Clermont-Ferrand urban
district. Then, at an infra-event scale, local meteorological phenomena could strongly alter the
long-range signatures and account for leading factors of chemical variability of the meteoric
water.
I1.2. Détermination de la composition chimique et isotopique des pluies sur le
bassin d’Argnat
1.2.1. Caractérisation des pluies à Sayat et implications des résultats obtenus à
Opme dans la définition du signal d’entrée des aquifères de la Chaîne des Puys
L'étude des précipitations à Opme permet de définir une typologie de la composition
chimique des précipitations en fonction de l’origine des masses d’air. Dans l'objectif de
caractériser le signal d'entrée sur le bassin d’Argnat, préalable indispensable à l’étude des
transferts dans les aquifères volcaniques, les précipitations échantillonnées
hebdomadairement à la station météorologique de Sayat ont fait l’objet, comme pour Opme,
d’analyses en éléments majeurs. Afin de déterminer si les résultats obtenus à Opme
permettent d'identifier les facteurs influençant la nature de la recharge des aquifères de la
Chaîne des Puys, nous avons mené une étude comparative des caractéristiques
hydroclimatiques et chimiques des précipitations échantillonnées sur les deux sites de
prélèvements.
La figure II-16 montre que les hauteurs de pluies sont légèrement plus élevées à Sayat (1238
mm) qu’à Opme (1010 mm) durant la période commune d’échantillonnage (décembre 2005-
mai 2007). Le nombre de jours de pluie est de 243 jours à Sayat et 282 jours à Opme.
L'évolution des hauteurs de précipitations au cours de l’année montre que la quantité
précipitée à Sayat est plus importante en automne et en hiver (décembre 2005- mars 2006 et
octobre 2006 - mars 2007). Opme est en revanche plus arrosé au printemps et en été. Cette
différence peut s'expliquer par la distance qui sépare les sites de prélèvement de l'obstacle
orographique que constitue la Chaîne des Puys. La station de Sayat est à environ 5 km des
sommets, tandis que Opme est localisé 15 km à l'Est, à proximité du bassin de la Limagne (cf.
figure I-2). Cette position favorise l’échantillonnage d'événements convectifs, vecteurs de
fortes quantités d’eau en été (Bouchet, 1987).
90 Chapitre II : Le signal d’entrée des aquifères volcaniques de la Chaîne des Puys
Cependant, on observe globalement pour les deux sites une période plus sèche en hiver
(décembre, janvier, février), puis des précipitations abondantes à partir de mars.
ENa |
140 +
120 -
100
Hauteur précipitations (mm)
ce SE
CoOpme
BSayat
SR A) ag fi 6 Ni SS SE
#
Figure 11-16 : Hauteurs mensuelles de précipitations (mm) pour les stations d’Opme et Sayat pour la
période commune de prélèvement.
Du point de vue de la chimie, compte tenu de la forte influence locale sur la composition des
eaux météoriques, la comparaison de la signature chimique des pluies de Sayat et d’Opme est
basée sur la composition moyenne des dernières fractions des pluies échantillonnées au
moyen du pluviocollecteur séquentiel (cf. figure II-11). Les analyses chimiques des
précipitations hebdomadaires à Sayat (tableau II-1) montrent une dominance des éléments
terrigènes (Ca7*, HCO: ).et de NH‘. Les autres éléments, d’origine anthropique où marine, en
particulier NO, SO, Na°, CT, présentent des teneurs moyennes situées dans des gammes de
valeur similaires. Le pH moyen est de 5,5.
La typologique chimique des pluies de Sayat est donc comparable à celle des apports longue
distance à Opme. La signature chimique des précipitations tombant à Argnat peut donc être
explicitée par les résultats obtenus à Opme.
CE (uS/em) pH HCOÿ Cl NO; SOZ POS Na NH K'__ Mg* Ca*
Moyenne 26.6 5,9 627 59,3 53,0 280 38 483 574 27,9 249 112,9 Minimum 50 41 0,0 37 06 00 00 2,0 0,0 19 00 00 Maximum 114,0 13 180,0 532.3 5874 158.2 1979 4881 3551 3326 2126 5843 M. pond. 14,7 5,5 505 29.1 253 21,3 1.2 236 390 130 248 1132
Tableau IF-1 : Composition chimique moyenne des précipitations à Argnat (ueq.l‘).
91 Chapitre II : Le signal d'entrée des aquifères volcaniques de la Chaîne des Puys
Par conséquent, nous pouvons en déduire que le signal d'entrée du système d'Argnat
provient, comme les pluies à Opme, de masse d’air d’origine atlantique ou méditerranéenne.
Elles correspondent à 60% des flux de précipitations sur le bassin d’Argnat et sont
mäjoritairement pourvoyeuses d'éléments terrigènes.
1.2.2. Détermination de la signature isotopique (8 O, 5°H) du signal d'entrée du
bassin d’Argnat
Les isotopes stables de la molécule d'eau peuvent être utilisés pour identifier l'origine du
signal d'entrée qui alimentent les aquifères, en particulier estimer les altitudes d'alimentation
et déterminer les relations entre les circulations souterraines et les eaux de surface. La
connaissance de la signature isotopique associée à ces précipitations constitue ainsi un
préalable à l'étude des transferts chimiques au sein des terrains volcaniques du bassin
d’Argnat.
11.2.2.1. Fractionnements isotopiques et droite météorique
La distribution des isotopes stables de l'hydrogène et de l'oxygène est fortement dépendante
du fractionnement existant entre les phases solide, liquide et vapeur. L'eau est un dipôle
électrique, caractère lié à l'existence de liaisons hydrogènes dont la force dépend des isotopes
engagés (Banton et Bangoy, 1999). Une liaison avec un isotope léger (SO, 'H) a une pression
de vapeur plus faible qu’une liaison avec un isotope lourd (FO, °H). Ainsi, lors d’une
évaporation, le passage de la phase liquide à la phase vapeur est favorisé pour les molécules à
contenu isotopique léger. La phase vapeur est alors appauvrie en isotopes lourds, tandis que le
liquide résultant est enrichi en isotopes lourds. Le processus est inverse lors d’une
condensation.
Le fractionnement à l'équilibre entre liquide et vapeur est décrit par un coefficient de
fractionnement o (Clark et Fritz, 1997) :
y = Ri/ Ry = (1000 + à) / (1000+ à,) (équation 7)
92 Chapitre Il : Le signal d'entrée des aquifères volcaniques de la Chaîne des Puys
où les indices 1 et v se réfèrent aux phases liquide et vapeur, R est le rapport d’abondance de
chaque phase (cf. paragraphe L.4.2.3) ; les notations à caractérisent la signature isotopique des
deux phases. L’enrichissement isotopique £ 1, (en %c) de la phase liquide (1) par rapport à la
phase vapeur (v), est défini par :
ëiv= (4 1) * 1000 (équation 8)
Les fractionnements isotopiques à l'équilibre étant caractérisés par des valeurs très légèrement
supérieures à l’unité, le terme [a.,— 1] tend vers des valeurs très faibles, d’où l’approximation
suivante :
av—1l=lna,— eZ 1000 *nou,Z&-8, (équation 9)
L'évolution de la composition isotopique des eaux naturelles commence lors de l’évaporation
au-dessus des océans et la formation des masses d’air humide. L'évaporation dépend de
plusieurs facteurs : la température de surface, la vitesse du vent, la salinité et l'humidité
atmosphérique.
Lors de la formation des gouttes de pluie par saturation en humidité, la vapeur d’eau se
condense en pluie ou neige pour maintenir l'équilibre thermodynamique. Les rapports
isotopiques mesurés dans les précipitations sont alors le résultat du processus de genèse de la
vapeur et des phénomènes intervenants lors du transport de la masse d’air vers et sur le
continent (Rozanski ef al., 1993). En atmosphère saturée, le fractionnement à l’équilibre dans
le nuage, entre vapeur et phases condensées, enrichit préférentiellement la pluie (ou la neige)
en isotopes lourds. La phase vapeur évolue donc vers des termes de plus en plus appauvris en
80 et 7H (figure 11-17), conformément à une distillation de Rayleigh (condensation
adiabatique ; Clark et Fritz, 1997) :
R= Rof( (équation 10)
où
Ro: composition isotopique initiale, f : fraction de liquide restant, R : composition isotopique
de f, a : facteur de fractionnement à l’équilibre.
93 Chapitre II : Le signal d’entrée des aquifères volcaniques de la Chaîne des Puys
DEPLACEMENT VERS LES HAUTES LATITUDES
CNE CS vapeur: 219
BD 156% a |S 5 = e ” 5 | & , æ- Lu na Fe
vapeur VAN &\) A
DÉS" LA \. È ÿ2
, = pluie: FA
ru À z\ /
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Ed
Figure 11-17 : Processus d’évaporation — transport — condensation des masses nuageuses et rapports isotopiques (d’après Gal, 2005).
Une relation linéaire entre les rapports isotopiques de l’oxygène et de l'hydrogène est donc
induite par la thermodépendance des fractionnements isotopiques à l'équilibre. Cette relation
a été montrée par Friedman (1953) et Craig (1961) à partir des données isotopiques collectées
sur des stations réparties à travers le monde. Cette Droite Météorique Mondiale (DMM ou
Global Meteoric Water Line) a pour équation :
SH=85 "0 +4 (équation 11)
avec d= excès en deutérium
Cette droite peut être considérée comme une mesure du degré moyen de "rain-out" d’une
masse d’air donnée entre sa région source et le site où elle se transforme en précipitations. La
pente de 8 est déterminée par le rapport entre les facteurs de fractionnement à l’équilibre du
180 et du H.
Le concept d’excès en deutérium (d) a été défini en 1964 par Dansgaard :
d=#H-85"O (équation 12)
94 Chapitre Il : Le signal d’entrée des aquifères volcaniques de la Chaîne des Puys
L'excès en deutérium augmente avec (1-h), h étant l'humidité relative de l’air des masses
d’air océanique (Gonfiantini, 1998). L'ordonnée à l’origine de 10%o de la droite météorique
mondiale correspond à une humidité relative moyenne de 81% (Jouzel, 1986). Elle est
particulièrement fréquente pour les stations soumises à un régime de perturbations océaniques
simples (Craig, 1961). La valeur de d varie par ailleurs, lorsque la condensation s'effectue à
paitir de masses d'air d'origines différentes (évaporation continentale, mer fermée,
évapotranspiration....). Ainsi, schématiquement, il est possible de localiser l'origine des masses
d’air en Europe de l'Ouest : d = 10%e pour une origine atlantique, d = 22% pour une masse d'air
provenant de la Méditerranée orientale (Gat et Carmi, 1970), d = 14% pour une masse d'air
provenant de la Méditerranée occidentale (Celle, 2000).
I1.2.2.2. Détermination de la Droite Météorique du Bassin d’Argnat (DMBA)
La détermination de la Droite Météorique de Bassin d’Argnat (DMBA) se base sur 43
échantillons hebdomadaires de précipitations prélevés à la station météorologique de Sayat,
durant la période avril 2006 - avril 2007 (figure II-18). Les pluies de faibles hauteur (H< 2
mm) ont été éliminées, afin de ne pas prendre en compte des échantillons ayant subi un
fractionnement isotopique important lié à l’évaporation pouvant se produire entre l’événement
de précipitation et le moment de l’échantillonnage.
850 Gé)
dé 44 12 AÙ & 6 4 2 û
L T T L U L D
DMM .”
-20
-40
DME& 60 4
BH=79880 +73 E ë
À 30
; | -100 ee
Figure 11-18 : Droite Météorique du Bassin d’Argnat (DMBA), la DMM est la Droite Météorique
Mondiale d’équation 8H = 8 80 +10.
95 Chapitre Il : Le signal d'entrée des aquifères volcaniques de la Chaîne des Puys
La droite est proche de celle déterminée à partir des précipitations journalières dans un
contexte similaire par Gal (2005) dans le massif du Forez à Saint-Just-Saint-Rambert
(45°30’01 N, 4°14°26 E, z= 420 m).
57H = 7,80 8 #O + 5,5 (n= 312)
Les valeurs moyennes des teneurs isotopiques dans les précipitations du bassin d’Argnat,
pondérées par les hauteurs d’eau, sont 50 = -6,9%o et ÿH= -47,3%o. L'excès en deutérium,
calculé à partir d’une pente théorique de 8 est d = 8,1.
Cette droite présente donc une pente (a) et un excès en deutérium (d) plus faibles que ceux de
la droite météorique mondiale (Craig, 1961 : 8H = 8 5 O + 10). Des modifications des
valeurs de a et d peuvent survenir lorsqu'une évaporation se produit après la condensation, en
particulier au cours de la chute de la goutte de pluie. Il s’en suit un enrichissement isotopique
de l’eau en phase liquide, habituellement le long des droites d'évaporation (8 O, 8H) avec
des pentes inférieures à 8, provoquant une diminution concomitante de l'excès en deutérium
(Clark et Fritz, 1997). Les échantillons de pluie ne représentent alors pas nécessairement la
composition dans le nuage. Bolin (1958) a calculé que seules les averses les plus fortes,
d'intensité supérieure à 10 mm.b'!, sont représentatives de la composition de la précipitation à
la base du nuage, quand il se situe à une altitude d'environ 1000 m au-dessus du sol (in
JIAEA/UNESCO, 2000). Ainsi Rozanski ef al. (1982) montrent que la droite météorique
calculée pour l’ensemble des stations continentales européennes du réseau de l’AIEA (Agence
Internationale de l'Energie Atomique), présente des valeurs de pente (6 < a <7,6) et d’excès
en deutérium (-6,3< d <6,5) reflétant l'influence de l’évaporation des gouttes.
L’effet de l’évaporation des gouttes s'exprime également de manière saisonnière et peut être
visualisé en discriminant les pluies hivernales et les pluies estivales (Gonfiantini, 1998 ;
Celle, 2000). Pour cela, nous avons établi deux droites de régression (figure II-19) : une droite
pour la période chaude (avril 2006-septembre 2006), une droite pour la période froide
(octobre 2006-mars 2007).
96 Chapitre II : Le signal d'entrée des aquifères volcaniques de la Chaîne des Puys
580 (ég
16 14 12 0 4 4 A4 2 û
avr- sept 06
16 14 13 10 8 -4 -2 û
oct Dé -mars07
&5
PH (Co
SH =790880 +684 À 80
À -100
-120
Figure 11-19 : Variations saisonnières de la DMBA.
La pente obtenue pour la saison chaude (a = 7,68) est inférieure à celle de la saison froide (a =
7,90), ce qui tend à confirmer les phénomènes d'évaporation. Cet effet est logiquement plus
important dans l'atmosphère plus chaude et plus sèche en été. En période froide. la forte
humidité et les températures basses provoquent une évaporation réduite, la pluie a une
signature plus proche de celle du nuage.
L'effet de foehn induit un réchauffement des masses d’air suite à la condensation des gouttes
par effet d'altitude et peut favoriser ces processus évaporatoires, Les précipitations qui
interviennent sur le versant ouest du relief entraînent une diminution de la quantité d'eau
liquide contenue dans le nuage et une augmentation de là température de la parcelle d’air. En
conséquence, au cours de la descente le long du versant est, la base du nuage se trouvera à un
niveau plus élevé, du fait du gradient de température plus important; la distance entre la base
du nuage et le sol augmentant, ce phénomène favorise l'évaporation des gouttes lors de leur
97 Chapitre Il : Le signal d'entrée des aquifères volcaniques de la Chaîne des Puys
chute. La position de la station météorologique de Sayat, dans la partie basse du bassin
d'Argnat (z = 550 m) et sur la partie est de la Chaîne des Puys, est donc un facteur
déterminant dans l’acquisition de la composition isotopique de la pluie.
Il s'avère ainsi difficile de déterminer l'origine des masses d’air à partir des données isotopiques,
lès excès de deutérium moyens étant faibles par rapport aux valeurs classiquement rapportées
dans la littérature. Toutefois, la station de Sayat semble être influencée par des pluies
majoritairement à signature Atlantique, ce qui est cohérent avec les résultats obtenus à Opme (cf.
table 3).
11.3. Quantification du signal d’entrée : Estimation de l’infiltration efficace
sur le bassin d’Argnat
La quantification du signal d'entrée nécessite de prendre en compte deux termes : 1) le
volume précipité sur le bassin et 2) les processus secondaires tels que l’évaporation et la
transpiration des végétaux. Ces paramètres présentent d'importantes hétérogénéités dans la
Chaîne des Puys, principalement dues à la présence d'obstacles orographiques qui influencent
les quantités de précipitations entre la façade ouest et la façade est (Bouchet, 1987 ; Joux,
2002). L'importance de la recharge des aquifères est donc à la fois le reflet du contexte
géologique et climatique.
Compte tenu de la morphologie du bassin versant, dont les altitudes s’échelonnent entre 380
m et 1159 m, il est important de prendre en compte les gradients altitudinaux selon lesquels
varient les paramètres météorologiques tels que la température et la pluviométrie. A partir
d'un Modèle Numérique de Terrain (MNT) couvrant la Chaîne des Puys, nous avons réalisé
la carte hypsométrique du bassin versant d’Argnat (figure II-20) qui nous permettra d’intégrer
ces variabilités altitudinales pour des tranches d’altitudes de 100 m. L'utilisation du MNT
nous permet de connaître la surface de chaque tranche d’altitude (tableau 1-2). La définition
des limites du bassin s’est appuyée sur les données de Fournier (1983) et sur les données de
forages de Belin et al. (1988).
98 Chapitre II : Le signal d'entrée des aquifères volcaniques de la Chaîne des Puys
2096000 n L n . L i 7 ; ;
1150
2095000 +
L ob
1050
2094000 -
L 1000
350
2033000 + ER 300
850
800
2092000 + |s
D
| 750
Static étéorologi 700 2091000 + ation météorologique L de Sayat (7550 m) 650
N 600
2090000 +
| L ssû
L E
S0Û
2089000 + $ L 450
| 0 2000 4000 6000 6000
2088000 T T T T T T T T T
648000 649000 650000 651000 652000 653000 654000 655000 656000 657000 658000
Figure 11-20 : Carte hypsométrique du bassin d’Argnat.
99 Chapitre Il : Le signal d'entrée des aquifères volcaniques de la Chaîne des Puys
Tranche d'altitude Surface(km) % surface bassin
385-400 0,10 0,37
400-500 2,12 8,10
500-600 2,92 11,19
600-700 1,76 6.73
700-800 2,34 8.98
800-900 7,03 26,92
900-1000 6.81 26,07
1000-1100 2,37 9,09
1100-1159 0.67 2,55
Tableau [1-2 : Répartition hypsométrique du bassin d’Argnat.
11.3.1. Estimation de la lame d’eau précipitée sur le bassin d’Argnat
Compte tenu de la disposition de notre secteur d'étude, il est à noter que la variation du relief
d'ouest (haute altitude) en est (basse altitude) sur le bassin implique une redondance entre les
deux principaux facteurs influençant l'augmentation de la pluviométrie, à savoir l'effet
d'altitude et la distance par rapport à la crête de la Chaîne des Puys. induisant un effet de
foehn (cf chapitre I). La détermination des gradients altitudinaux doit donc prendre en compte
cette particularité.
Le calcul des gradients altitudinaux s’appuie sur les données météorologiques fournies par
Météo-France et relevées sur des stations localisées sur le versant est de la Chaîne des Puys,
sur ou à proximité de notre site d’étude : station météorologique de Volvic (45°52'30"N,
3°03'00"E. z = 472 m, code Météo-France: 63470001), station météorologique de Sayat
(45°50'18"N, 3°02'42"E. z = 550 m, code Météo-France : 63417001), station météorologique
de la Fontaine du Berger (45°47'54"N, 2°59'30"E, z = 971 m, code Météo-France :
63263005). Les données utilisées correspondent aux précipitations annuelles moyennes entre
1994 et 2007, période commune des mesures pour ces trois stations (figure [1-21).
100 Chapitre II : Le signal d'entrée des aquifères volcaniques de la Chaîne des Puys
1189 Fontaine du Berger a |
Ë 1000
F
ë 900 |
ë |
& 00 Farfm) = 0.56 + 510.51
è < |
È soû | Votre
8
# 600
so0 300 é0q 700 300 900 1000
Altitude station z (ri)
Figure 1-21 : Détermination du gradient altitudinal pour le bassin d’Argnat,
Le gradient obtenu est de 56 mm/100 m. Il est identique à celui obtenu par Joux (2002) aux
stations de Volvic et d’Orcines pour la période 1993-2000 et proche de celui de Barbaud
(1983) obtenu en utilisant les normales 1951-1980 (57 mm/100 m) pour les stations de
Aulnat, Aubière et Volvic.
Le gradient pluviométrique ainsi établi est utilisé pour estimer la lame d’eau moyenne
précipitée sur le bassin (tableau I1-3).
101 Chapitre II : Le signal d’entrée des aquifères volcaniques de la Chaîne des Puys
La figure 11-22 montre l’évolution du volume annuel précipité sur le bassin d’Argnat pour la
période 1994-2007. Les volumes précipités en 2006 et 2007 (correspondant à notre période
d'étude) sont proches de la moyenne calculée sur 14 ans (25,2.10° man!) ; ils sont donc
représentatifs de la lame d’eau précipitée annuellement sur le bassin d’Argnat.
660
Période
Mosrerme 1994-2007 d'étude am j
À =n
A o aL
éoû + ]
ETF bassin (mm)
& Es
La ES El
540 T T T T nes memes | L T F T T
Sd 6 A À M SO & dE & RL Et
Figure II-22 : Evolution annuelle du volume d’eau précipitée sur le bassin d’Argnat entre 1994 et 2007.
I1.3.2. Estimation de l’évapotranspiration
1L3.2.1. Choix de la méthode de calcul
Plusieurs méthodes permettent d’estimer ou de mesurer l’évapotranspiration. Des formules
empiriques basées sur des mesures météorologiques (température, ensoleillement, vitesse du
vent, etc.) ont été élaborées par différents auteurs (Musy et Higy, 2004). Ainsi la formule de
Turc fait intervenir la température moyenne de l'air pour la période considérée et le
rayonnement solaire global du mois. La formule de Penman permet d'évaluer
l’évapotranspiration à partir du bilan énergétique mettant en jeu les échanges de chaleur par
rayonnement, conduction et convection, entre la surface évaporante et son environnement,
ainsi que les chaleurs latentes de changement d’état de l’eau. Cette méthode nécessite donc de
nombreux paramètres d'entrée tels que la radiation solaire globale, la tension de vapeur de
l’eau, la température moyenne de l’air, la vitesse du vent et l’albedo.
Toutes ces données n’étant pas disponibles sur notre secteur d'étude, nous avons dû utiliser la
formule de Thornwaite qui permet de calculer l’Evapotranspiration Potentielle (ETP) en ne
connaissant que la température. Ce paramètre étant une variable dépendante de l’altitude,
nous avons estimé, comme pour la pluviomètrie, son gradient altitudinal. Ce calcul s’est basé
103 Chapitre Il : Le signal d'entrée des aquifères volcaniques de la Chaîne des Puys
sur les chroniques mensuelles des stations de Sayat et la Fontaine du Berger pour la période
1994-2007, la température à Volvic n’ayant pas été mesurée sur la même période. Le gradient
obtenu de -0,66°C/100 m est comparable aux données régionales (tableau [I-4).
Références Période considérée Gradient °C/100m
Cette étude Bassin d’Argnat 1994-2007 -0,66
Joux (2002) Bassin de Volvic 1993-2000 -0,66
Barbaud (1983) Bassin de Volvic 1951-1980 -0,65
Bouchet (1987) Bassin d’Aydat 1964-1986 -0,6
Réménérias (1986) Standard national -0,6
Tableau II-4 : Gradients altitudinaux pour la température sur divers bassins de la Chaîne des Puys et standard national.
La formule de Thornwaite a ensuite été appliquée pour chaque tranche d’altitude du bassin
(équation 13).
107, « : ETP mensuelle (mm) = 1.6X f x Er? (équation 13)
1: indice thermique annuel, i: indice thermique mensuel, a: constante, f: coefficient de
correction fonction du mois et de la latitude (tableau II-5).
f Janvier Février Mars Avril Mai Juin 45ème
parallèle 0,8 0,81 1,02 1,13 1,28 1,29
f Juillet Août Septembre | Octobre | Novembre | Décembre ÈME
+ es | 5 1,21 1,04 0,94 0,79 0,75
Tableau Il-5 : Valeurs du coefficient de correction f pour le 45% parallèle.
L'évolution de l'ETP pour la tranche d'altitude 500-600 m, estimée par notre étude, est
présentée dans la figure II-23. Afin de contrôler la validité de nos résultats, nous avons
également tracé les résultats obtenus pour l’'ETPrurc à Volvic, pour la même tranche
d'altitude, par Joux (2002).
104 Chapitre I : Le signal d'entrée des aquifères volcaniques de la Chaîne des Puys
1000 a :
900 7 Dette étude Dioux (2002 300 -
700 4
é00 -
500 - |
400 - |
300 7
200 +
100
Lil
ETF tranche 500-600 m mm)
Ke # ol 4 Si g ci éi s S D \s Si
+ a Ÿ
a
Figure 11-23: Evolution annuelle de l’ETP pour la tranche d’altitude 500-600 m estimée sur les bassins
d’Argnat et de Volvic (Joux,2002).
Excepté pour les années 1999 et 2000, nous pouvons voir que les valeurs sont du même ordre
de grandeur. Les moyennes, en particulier, sont proches : 693 + 61 mman pour Joux (2002)
et 667 + 16 mm.an! pour notre étude. Nous pouvons donc considérer que notre approche
montre des résultats satisfaisants.
Les résultats du calcul de l’ETP sont synthétisés dans le tableau II-6. Ils correspondent à la
somme des ETP mensuels calculés pour chaque année et pour chaque tranche d’altitude du
bassin d’Argnat.
105 Chapitre II : Le signal d’entrée des aquifères volcaniques de la Chaîne des Puys
La figure 11-24 montre l’évolution de l’ETP pour les 14 années de mesures. Les années
correspondant à notre période de mesure présentent des ETP proches de la moyenne annuelle
(ŒTP moyenne = 611 mm.an !).
660 +——
640 Période
= Moyenne 1994-2007 d'étude
Ê 620 ï
& 600
È sg. | |
R 560 |
540 EL - HO OL & SDS SE D & D LS À PS SP EP SES CES PP 0 8 0 1 D 1
Figure 11-24 : Evolution de l’ETP du bassin d’Argnat de 1994 à 2007.
11.3.2.2. Quantification de l’évapotranspiration réelle (ETR) et de l’infiltration efficace
(IE)
L'évapotranspiration potentielle permet de rendre compté du pouvoir évaporant de
l'atmosphère. Pour estimer la quantité d’eau qui rejoint les eaux souterraines, il est important
de tenir compte de l’état hydrique du sol. L'évaluation de la lame d’eau réellement
évapotranspirée (ETR) est donc nécessaire pour estimer la pluie efficace participant à la
recharge de la nappe. À partir des pluies et ETP précédemment corrigées par l'altitude, le
bilan en eau de chaque tranche d’altitude a été établi par la méthode de Thornwaite (1954).
L'état hydrique du sol est appréhendé au moyen de la Réserve Facilement Utilisable (RFU)
par la végétation. Celle-ci a été définie égale à 100 mm sur le bassin d’Argnat par Barbaud en
1983. Bouchet (1987) avait choisi une valeur de 80 mm pour le bassin de la Veyre tandis que
Joux (2002) a opté pour une valeur égale à 65 mm pour caractériser la RFU du bassin de
Volvic. Dans ce contexte, la validation d’une valeur est donc confrontée à des incertitudes.
Pour contraindre l’effet de la variation de la RFU sur l’ETR, différentes valeurs comprises
entre 60 et 120 mm ont donc été envisagées (figure IT-25).
107 Chapitre II : Le signal d'entrée des aquifères volcaniques de la Chaîne des Puys
800
50 | CIETR (RFU —60 mm) CIETR (RFU =80 mm) Période
So | DETR (RFU = 100 mm) BETR(RFU=120mm) | d'étude
650 -
600
550
ETR mm/an
nm Go OA æ SO & & S o & À PP PSS ES
Figure 11-25 : Comparaison de l’ETR pour différentes valeurs de RFU choisies pour le bassin d’Argnat
Cette comparaison montre qu’au sein du bassin d’Argnat, la modification, même importante
du niveau maximal de la RFU ne fait pas varier de façon importante la quantité d’eau
réellement évapotranspirée : A l’echelle annuelle, la variation maximale (obtenue pour 1998)
de l’ETR pour les deux valeurs extrêmes de la RFU (i.e. 60 et 120 mm) est de 11 %. Pour les
années 2006 et 2007 correspondantes à notre période d'étude, la variation de la RFU
n’influence guère l'ETR. Dans ce contexte, il semble que le choix de la hauteur d’eau
correspondante à la RFU puisse être relativement large ; Nous avons donc sélectionné une
RFU identique à celle de Barbaud (1983) soit 100 mm afin de comparer au mieux nos
résultats sur le bassin d’Argnat.
Le tableau II-7 montre la variabilité annuelle de l'ETR pour une RFU de 100 mm durant la
période 1994-2007. La comparaison de l'ETP et de l'ETR, calculées précédemment, est
reportée sur la figure II-26.
108 “2PRINIE,paqouesanbegomodYLA,I2PUOTEUTSA:L-IINUQUE,
019619 60$ Frs LS 819 165 i09 T19 TES £6srss 08s To9 085 MST) OL este busSTE ELS 196 PES EE ops ST 196 ES LESESS GES 6S11-001T tgs 995 Ds SES LL SES IS 63 Êss 2rs qu cts CSS FES ire 0011-0007 CES ss His095 196 péeELS 8866Ls 3& ETS Le Fais EGs LE 0001-006 £09609 ETS 2c sEsETS rés309 £0g ES g1gûés gés£13 £Qg 006-008 tre] teg Lierés Ds TE9 919 Des121 LESLES üés 819LE9 sen 008-002 Era Dre] ERSF Sér TEa 3e Lee] Spa £Es Le Bec LES s8c £a 004-009 LE] Css Ts s&æ 92p €£9 309 9v9TEs 98 EFs oFs 365éés 9eg 009-005 989S0£ PS LA Li 369Fig 119 969ESF SES Trs ETS v13 209 00$-00$ 669 vers Lu EL00 £E9 é19 019 FATr TES 122 TES TE9 £08 00F-S8E 2007 9007 s007 FOOT€00Z T00Z 1007 0007 66618661 2661 9661S66l +661emraiour PATES AMEL, Chapitre Il : Le signal d'entrée des aquifères volcaniques de la Chaîne des Puys
L’'ETR calculée est comparable à l'ETP, en moyenne, à l'échelle du bassin versant d’Argnat
(respectivement 580 et 611 mm.an !). Ceci signifie, qu'à l'échelle annuelle, les conditions
hydriques du sol permettent généralement de satisfaire l'ETP. L'ETR estimée pour les années
2006 et 2007 est proche de la valeur moyenne calculée sur 14 ans et donc représentative de
l'ETR du bassin versant.
900 130
En ETP bain CIETRbasin 2 ETP-ETR à govÆ Période
22 Than (1994-2007) ve ETR, (1994-2007) d'étude À 100
700 +
= 80
É
ë
£ 500 +
mi + 60 à 400 1
Ë 300 + L 40 #4
200 4 |
100 4
0 BL LL Le 1er 1 ù
S S S 42 3 5 a
Si OS # $ À $ À
Figure 11-26: Evolution de l’ETP et l’ETR du bassin versant d’Argnat de 1994 à 2007.
Le calcul de la pluie efficace moyenne mensuelle (P-ETR) pour l’ensemble du bassin sur la
période 1994-2007 est reporté sur la figure 11-27. Dans le contexte de notre étude, la part du
ruissellement a été occultée ; le ruissellement est inexistant sur les formations volcaniques du
bassin (Livet, 2001) et lorsqu'il existe sur les zones de socle bordières, celui-ci n’a d’autre
issue que de s’infiltrer au contact des formations volcaniques. Par conséquent, nous pouvons
assimiler la pluie efficace à l’infiltration efficace. La figure II-27 montre, pour la période
1997-2004, que la recharge se produit tout au long de l’année à l’échelle du bassin mais
qu’elle varie significativement selon les mois considérés. Nous pouvons ainsi identifier deux
périodes distinctes dans le cycle hydrologique :
- une période de recharge maximale de novembre à avril. La pluviométrie importante de
ce dernier mois permet généralement de compenser les pertes en eau liée à la reprise
de la croissance des végétaux (évapotranspiration) ;
- une période relativement déficitaire de mai à octobre.
110
(TP-ETR) (mm/an) Chapitre Il : Le signal d'entrée des aquifères volcaniques de la Chaîne des Puys
ae 1 D période étudiée (Dec 2005-juin 2007) |
moyennes (1994-2007)
co L
Infiltration efficace (mm)
& L
5
&
fi
CR———
EH LU CR PS S 5S 5 132 2 x
D at D SES & CRE Fe a SP PE EE Ps e Past
éd <
> + >
2005 soné "1
Figure 11-27 : Infiltration efficace sur le bassin d’Argnat pour la période d’étude. Comparaison avec les
valeurs moyennes pour la période 1994-2007.
L'évolution mensuelle de l'ETR calculée pour notre période d’étude montre globalement la
même tendance que la moyenne 1994-2007. Il faut cependant noter un déficit en décembre
2005 et janvier 2006 et pour l’hiver 2006-2007. En revanche, il apparaît que la recharge a été
particulièrement excédentaire en mars 2006 avec 100 mm d'infiltration efficace contre 38
mman! pour la moyenne 1994-2007. Par conséquent, l’année 2006 est une année
globalement excédentaire avec 400 mm d'infiltration efficace alors que la moyenne est de 375
mm.an. A l'inverse la période de janvier à juin 2007 est nettement déficitaire : 185 mm
d'infiltration efficace contre 233 mm.an! en moyenne.
L'analyse de l’infiltration efficace au sein du bassin montre que la recharge varie selon la
tranche d’altitude considérée (figure II-28).
111 Chapitre Il : Le signal d'entrée des aquifères volcaniques de la Chaîne des Puys
© 400-500 va ® 1000-1100 ta
Infltration eMicace (rara)
œEs
sue S SN 5 EEE SE SE ER
Figure 11-28 : Comparaison des estimations de l’infiltration efficace en 2006 pour les tranches d’altitude de 400-500 m et 1000-1100 m.
Les précipitations tombant sur les sommets participent à la recharge tout au long de l'année
tandis que les terrains de basse altitude voient leur infiltration efficace chuter dès le
printemps. Cette variabilité, résultat des effets combinés d'altitude et de foehn sur la
température et les précipitations, montre tout l'intérêt de l'approche par zone d'altitude pour
établir le bilan hydrologique du bassin d’Argnat.
1.3.3. Estimation du débit du bassin versant d’Argnat
La valeur moyenne (1994-2007) de l’infiltration efficace de 375 mm.an! conduit à un débit
de 311 Ls! au sein du bassin d’Argnat. La figure II-29 montre que cette valeur peut
sensiblement varier selon l’année considérée, puisque les débits calculés sont compris entre
186 L.s'! (1997) et 521 1s! (1994). Les années 2006 et 2007 qui concernent notre période
d’étude sont proches de la valeur moyenne (respectivement 332 et 335 1s!).
112 Chapitre II : Le signal d’entrée des aquifères volcaniques de la Chaîne des Puys
350
#0 | Â Débit moyen 0
aébit du bassin (LÉ)
ë Ë
er el El
300
150 À
à we 6 «] a CT mn & Ed e de à a A
Up À 7 pp D D
Figure II-29 : Variation annuelle du débit du bassin d’Argnat.
En 1983, Barbaud détermine un débit de 494 1.s'! pour le bassin d'Argnat. Cette différence
notable est due à une valeur plus importante de l’infiltration efficace calculée par Barbaud :
488 mm.an'! contre 375 mm.an! pour notre étude. L'auteur indique que la galerie d’Argnat
voit son débit fluctuer entre 200 et 300 LS! alors que les débits mesurés à Argnat durant notre
période de prélèvements varient seulement entre 106 et 134,5 L.s”!. Il semble donc qu'il y ait
une baisse globale des débits liée à la diminution de la recharge depuis ces 30 dernières
années.
113 Chapitre III
ETUDE DES TRANSFERTS PLUIE/ ZONE NON
SATUREE/ ZONE SATUREE Chapitre II : Etude des transferts pluie/ zone non saturée/ zone saturée
Dans leur étude sur l’alimentation des aquifères dans la Chaîne des Puys, Josnin ef al. (2007)
font l’hypothèse qu'une grande part de l'alimentation de la zone saturée est liée aux
infiltrations sur coulées (étude hydrodynamique au niveau de la Cheyre de Côme, bassin de
Côme-Louchadière). L'absence de circulations superficielles sur les coulées de la Chaîne des
Puys serait cohérente avec une alimentation significative par ce biais. Les coulées de laves
présentent une porosité de fissures et d’interstices, au sein des niveaux scoriacés de toit et
base de coulée, et une porosité de fissures dans leur partie massive (figures de flux, fentes de
retrait thermique, etc), ce qui pourrait favoriser les infiltrations rapides jusqu’à la zone
saturée (cf paragraphe [3.2.2.). Ces dernières pourraient notamment intervenir plus
directement en bout de coulée selon Barbaud (1983). la coulée étant moins épaisse et plus
fissurée du fait d’un refroidissement accéléré.
Afin de caractériser les transferts verticaux et de comprendre le rôle de la ZNS dans les
coulées volcaniques du bassin d’Argnat, nous avons étudié en détail la relation Signal
d’entrée/ Zone non saturée (ZNS)/ Zone saturée (ZS). Diverses approches hydrodynamiques,
chimiques et isotopiques ont été menées conjointement avec pour objectifs : 1) d’évaluer quel
est le parcours de l’eau dans les différents compartiments étudiés, 2) d'identifier par quels
mécanismes l’eau acquiert sa minéralisation à partir de la recharge.
117 Chapitre II : Etude des transferts pluie/ zone non saturée/ zone saturée
111.1. Origine de l’eau alimentant la ZNS et la ZS des coulées volcaniques.
Durant la période avril 2006-avril 2007, des mesures isotopiques en oxygène-18 et deuterium
ont été réalisées dans la pluie, la ZS et la ZNS des Grosliers ainsi que dans la ZS de la galerie
d'Argnat. Des mesures ponctuelles du 5'°O de la ZNS d’Argnat ont également été effectuées
Les pas de temps adoptés pour chaque compartiment sont reportés dans le tableau Il-1.
ZNS ZS ZNS ZS Pluie Sayat
Grosliers Grosliers Argnat | Argnat
570 Hebdomadaire | Hebdomadaire | Hebdomadaire | Ponctuel | Mensuel
à : Non Non ôÿ"H Hebdomadaire Mensuel Mensuel analysé analysé
Tableau IIT-1 : Pas de temps adoptés pour les mesures en oxygène-18 et deutérium dans la pluie, les ZS et la ZNS.
La figure II-1 montre que les signaux isotopiques moyens des eaux des deux ZS s’alignent
sur la droite météorique locale. Ces circulations sont donc directement alimentées par les
précipitations.
SH (C6)
LERTTS [] Moyenne pondérée phue Sayrat | 50
+ À Z5 Grostiers @ ZS Argnat où
-100
Figure IlI-1 : Droite météorique locale et signatures moyennes de la ZS des Grosliers et d'Argnat.
Six effets principaux ont une incidence sur les signatures isotopiques des pluies. Ce sont 1) la
température atmosphérique, 2) la latitude du point d’échantillonnage, 3) la distance à la mer de ce
118 Chapitre IT : Etude des transferts pluie/ zone non saturée/ zone saturée
point (effet de continentalité), 4) son altitude, 5) la période de l’année examinée et 6) les quantités
précipitées (IAEA, 2000).
Les variations de la composition isotopique des précipitations d’un point de vue local peuvent
donc s'expliquer par les effets liés à l'altitude, à la saison ou aux hauteurs de pluie. L'étude de
la composition isotopique de la pluie et des eaux souterraines à l’echelle annuelle permet
d’occulter ces deux derniers effets. L'effet d'altitude est une accentuation de l'effet de
continentalité se produisant au contact des reliefs. Comme la pression diminue avec l'altitude
(-1,2% / 100m), une baisse de température plus forte est nécessaire pour atteindre les
conditions de pression de vapeur saturée (point de rosée) qu’en conditions isobares (effet
latitudinal). Le refroidissement adiabatique résultant entraîne une condensation et des pluies
orographiques, de plus en plus négatives, la vapeur s'appauvrissant en oxygène-l8 et
deuterium par condensations successives (IAEA, 2000). L'effet moyen est de —0,2%e /100m
en 8/0 et 1,5% / 100m en 5H. Cet effet peut être renforcé par enrichissement évaporatoire
des gouttes d’eau durant leur chute, qui est plus fort à basse altitude, où la base des nuages est
plus élevée par rapport au sol.
Localement, le gradient altitudinal a été établi par Barbaud (1983) à partir de données de 50
déterminées pour le bassin de Volvic. Sa valeur est de -0,28 5'*0/100 m. Compte tenu de la
proximité du bassin de Volvic, de sa répartition hypsométrique similaire à celle du bassin
d’Argnat et de son positionnement sur la façade est de la Chaîne des Puys, nous considérerons
ce gradient comme représentatif des conditions locales.
Le signal moyen des précipitations (8 0 = -6,9%o), Le calcul de cette valeur a été effectué en
éliminant les prélévements coorepondant à de faibles hauteurs d'eau (< 2 mm), afin de
soustraire l’effet de l'évaporation, qui peut être très important sur la signature isotopique des
pluies de faible volume. En tenant compte de l'effet d’altitude, il est possible d’estimer les
aires de recharges théoriques de la ZNS et la ZS des Grosliers et de la ZS d’Argnat.
Cependant, l’infiltration efficace varie de façon saisonnière du fait de l’évapotranspiration,
avec un maximum en hiver et un minimum en été. Le calcul des aires de recharge doit prendre
en considération cette variabilité et l'intégrer aux valeurs isotopiques. Cette approche admet
que la part des précipitations qui retourne dans l’atmosphère est prélevée au système
principalement par transpiration des végétaux plutôt que par évaporation. En effet, la
consommation d'eau par les végétaux n’entraîne pas de fractionnement isotopique (Gat et
119 Chapitre III : Etude des transferts pluie/ zone non saturée/ zone saturée
Gonfiantini, 1981 ; Burg et Heaton, 1998 ; Dafny er al., 2006) contrairement à l’évaporation.
L'absence de sol nu et de surface d’eau libre sur le bassin peut réduire considérablement ce
dernier mécanisme. La position des ZS d’Argnat et des Grosliers sur la DMBA (figure [I-1)
confirme que l’eau repart dans l’atmosphère principalement par transpiration des végétaux. qd P p: Pi P &
Afin de calculer le signal isotopique de l'IE, nous avons donc :
1. pris en compte la participation des pluies de chaque mois à l'IE annuelle pour
l’ensemble du bassin (Zmoyen = 811 M) ;
2. calculé le signal isotopique météorique mensuel pour une altitude z = 811 m en
utilisant le gradient altitudinal local des précipitations (-0,28%/100 m)
3. évalué le signal isotopique annuel moyen de l'IE (tableau III-2).
50 pluie à z=
IE: om) 811 m
Avril 37,3 -8,4
Mai 20,7 -6,8
Juin 5,6 -5,8 Juillet 0,6 -4,5 Août 15,2 -7,1 Septembre 32,8 -9,7 Octobre 15,8 -8,4 Novembre 38,5 -7.4 Décembre 22,9 -8,4
Janvier 42,9 -8,1
Février 514 -9,8 Mars 58,4 -7,9
Moyenne pondérée
SO IE (%o) #3
Tableau IlI-2 : Calcul du signal moyen du signal d’entrée pour le bassin d’Argnat (zm0ÿ= 811 m).
Il devient alors possible d’estimer l'altitude de l’aire de recharge moyenne des différents
compartiments (tableau II-3). L’incertitude de l'altitude moyenne est obtenue au travers de
l'écart-type du 5 #0 moyen.
120 Chapitre Il : Etude des transferts pluie/ zone non saturée/ zone saturée
L ZNS ZNS Argnat (z
= 420 m)
Signal | 83 | 88403 | 81402 | -88<5"o<8,s | 9,1+02 moyen
Altitude de
recharge 982 + 100 737273 880
(m)
Tableau INI-3 : Détermination de l’aire de recharge à partir du signal moyen de l’infiltration efficace (avril 2006-mars 2007).
L’altitude moyenne obtenue pour la ZS d’Argnat (1087 + 55 m) est cohérente avec
l'estimation de Barbaud (1983) qui calcule une valeur de 1050 m. La ZS des Grosliers a une
aire de recharge d’altitude moyenne légèrement inférieure (982 + 100 m). Ces altitudes
correspondent à une recharge se produisant principalement au niveau des cônes stromboliens
aux flancs desquels les coulées de lave ont pris naissance. Le calcul pour la ZNS d’Argnat,
effectué à partir de quelques mesures indique une aire de recharge comprise entre 880 et 990
m d’altitude. Compte tenu de l’épaisseur des materiaux volcaniques à l’aplomb du point de
prélévement (environ de 40 m), il semble que la circulation d’eau alimentant ce compartiment
soit vertical ou sub-vertical. Concernant la recharge de la ZNS des Grosliers, celle-ci a lieu à
une altitude moyenne de 737 m. Si on tient compte de l’altitude de la galerie des Grosliers (z
= 420 m) et de l’épaisseur de la coulée à cet endroit (6 à 7 m), nous pouvons conclure que le
transfert d’eau dans la ZNS des Grosliers peut en revanche avoir une forte composante
horizontale. La superposition de 4 coulées volcaniques, (celle des Grosliers constituant la
coulée de base) à l’altitude z = 737 m (figure I-2) implique donc l'existence de circulations
superposées et de liaisons hydrauliques entre celles-ci. La ZNS des Grosliers est donc
probablement alimentée par des niveaux supérieurs drainés vers le bas au grès de fissures
verticales, Un fonctionnement similaire au sein du goulot de Volvic a été rapporté par
Aubignat (1973), dans les formations volcaniques de la Réunion (Join et Coudray, 1993), de
l’île volcanique de Mayotte (Stieljes, 1988), dans l'archipel des Galapagos (d'Oziouville er
al., 2008) et à Madère (Nascimento Prada et al., 2006). Violette er al. (1997) qualifient ces
phénomènes de circulations en tuiles. Elles se forment à la faveur d’un horizon imperméable,
en l’occurrence le toit de la coulée, et alimentent en cascade les circulations sous-jacentes, en
limite d’extension de l’imperméable, ou au niveau de discontinuités telles que les fractures de
refroidissement des coulées. Ces circulations superposées peuvent exister au niveaux de
paléosols sur lesquels les coulées de laves vont s’épancher (Gaubi, 1990 ; Dafny et al., 2006 ; Chapitre III : Etude des transferts pluie/ zone non saturée/ zone saturée
D'Ozziouville et al, 2008) ou au niveau du toit scoriacé des coulées antérieures peu
perméable à l’origine, et facilement altérées (Bow, 1979) (figure IlI-3). Des circulations au
sein de tunnels de lave, dans les coulées massives peuvent également être rencontrées
(Glangeaud, 1913 ; Bouchet, 1987 : Kiernan et al., 2003 ; Loock, 2008).
122 SIATISOL)s2p280 FEURTA4p23700,
(
epuoËtagapm0RSii
HUËTSp SEA NP 88107
senteAejepfn Chapitre III : Etude des transferts pluie/ zone non saturée/ zone saturée
Fossilized
soils
Figure INI-3 : Schéma conceptuel des circulations souterraines dans les coulées basaltiques (d’après Dafny et al., 2006).
Le forage privé localisé à quelques dizaines de mètres de la galerie des Grosliers
(45°49°26"N ; 3°03°52"E ; figure IlI-2) présente le log suivant (figure II-4). Il indique la
présence d’une couche scoriacée sur la coulée pahoehoe provenant vraisemblablement de
projections à partir de volcans voisins, ayant eut une activité postérieure à la mise en place de
la coulée (ceci serait cohérent avec la présence de bombes volcaniques disséminées sur la
coulée). Il est donc probable que les circulations alimentant la ZNS des Grosliers dans la
partie avale du bassin se produisent au niveau de cette couche scoriacée.
Sol Couche argileuse
Parcours de l’eau — Couche scoriacée
——— Coulée basaltique
Fissures verticales —}"©+
Forage
Figure III-4 : Log du forage privé localisé sur la coulées des Grosliers (45°49°26”N ; 3°03°527E) et parcours de l’eau supposé de l’eau de la ZNS.
124 Chapitre II : Etude des transferts pluie/ zone non saturée/ zone saturée
Ces premières observations sont donc contradictoires avec l'hypothèse de Barbaud (1983)
selon laquelle les circulations dans la ZNS, en bout de coulée, sont essentiellement verticales
et proviennent d'infiltrations rapides à l’aplomb de la coulée.
II1.2. Relation Infiltration efficace / ZNS / ZS
Le comportement hydrodynamique de la ZS et de la ZNS a été analysé à partir des chroniques
de débits et de l’infiltration efficace déterminée au paragraphe IL.3.3.
III.2.1. Evolution des débits au cours de la période de mesures
La figure III-5 montre l’évolution de l'infiltration efficace mensuelle et les hydrogrammes de
la ZS et la ZNS de la galerie des Grosliers, tracés à partir de données hebdomadaires pour la
période Décembre 2005-Juin 2007. La figure III-6 montre l’évolution des débits de la ZS et
de la ZNS de la galerie d’Argnat pour la période Octobre 2006-Juin 2007.
125 Chapitre II : Etude des transferts pluie/ zone non saturée/ zone saturée
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80 + D pluie (rm/sem)
T —4— débit ZNS (Us) T Lroeu
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100 5
Figure [1-5 : Hyétogramme des pluies à Sayat et hydrogrammes de la ZNS et de la ZS des Grosliers (Decembre 2005- Juin 2007).
126 Chapitre Il : Etude des transferts pluie/ zone non saturée/ zone saturée
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15 re + 120
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” 110 5
]
357 L [TT 105
4 + Pluie
428 Ai [100 _—. rgnat Il
50 95
Figure II-6 : Hyétogramme des pluies à Sayat et hydrogrammes de la ZNS et de la ZS dela galerie d’Argnat (Octobre 2006-Juin 2007).
127 Chapitre II : Etude des transferts pluie/ zone non saturée/ zone saturée
Les 2 hydrogrammes de la ZNS et la ZS sont lissés ; le signal pluie est donc atténué par la
coulée basaltique. Il n’y a pas de relation directe entre un événement de précipitation et les
variations de débits.
Les deux courbes montrent une réponse hydrologique similaire, il apparaît deux périodes de
hautes eaux : fin hiver-printemps 2006 et fin hiver-printemps 2007 (zones grisées sur les
hydrogrammes) avec une période de décroissance régulière du débit entre les deux. Ces pics
correspondent aux mois caractérisés par une infiltration efficace importante. Les réponses
hydrologiques de la ZS et de la ZNS sont donc liées à l’infiltration efficace et ce, à l’échelle
mensuelle, Pour les Grosliers, on observe par ailleurs un décalage (T sur la figure) d’environ 3
semaines entre les pics de la ZS et de la ZNS. Pour Argnat, les évolutions des débits de la
ZNS et la ZS sont concomitantes. Ceci nous indique que la relation directe ZNS/ZS n’est pas
vérifiée et témoigne d’un phénomène de régulation du signal d'entrée dans les coulées. Afin
de définir plus précisément ce processus, nous avons appliqué une analyse corrélatoire aux
chroniques de débits,
III.2.2. Etude des débits à partir des analyses corrélatoires
Les analyses corrélatoires consistent à assimiler le système étudié à une "boîte noire" et à en
étudier le contenu (analyse systémique). Ce type d’étude correspond donc à une approche
phénoménologique basée sur l'observation et l'expérience, dont la finalité réside dans la
caractérisation du système par sa fonction de transfert (mécanisme qui modifie l’entrée et la
sortie par une relation de cause à effet). Cette fonction est la réponse impulsionnelle du
système.
L'analyse corrélatoire simple étudie la pondération relative des événements dans le temps et
correspond au traitement d’une chronique d'entrée ou de sortie. Dans le contexte d’une étude
hydrodynamique, le signal d’entrée correspond à la pluie et le signal de sortie au débit. Le
système hydrogéologique joue alors le rôle d’un filtre, sa mémoire des entrées antérieures
étant plus ou moins longue. Deux paramètres influencent ce pouvoir filtrant : l'importance des
réserves et le réseau de drainage ; le pouvoir de filtre du système est d’autant plus grand que
le système possède des réserves et que le drainage est médiocre. Le comportement du système
est donc plus ou moins inertiel. Ainsi un système bien drainé et possédant peu de réserves
déformera peu le signal pluie avec pour conséquence des crues et peu de stockage.
L'application des analyses corrélatoires à l'étude des systèmes fissurés et karstiques s’est
128 Chapitre Il : Etude des transferts pluie/ zone non saturée/ zone saturée
avérée efficace pour identifier l’organisation et la dynamique de ce type de système
hydrogéologique (Riad, 2003 ; Amraoui ef al., 2004 ; Carasco et al., 2006).
L'analyse simple, via le corrélogramme simple, met en évidence la dépendance des
événements entre eux pour des intervalles de temps de plus en plus grands. Par conséquent,
elle traduit ia mémoire du système étudié (Mangin, 1984) : plus un événement, pris à un
instant donné, aura une influence à long terme, plus lente sera la décroissance du
corrélogramme, Le corrélogramme simple correspond à la représentation graphique de
l’évolution du coefficient rk d'autocorrélation (Jenkins et Watts, 1968). Il correspond donc à
la mesure de la corrélation d'une chronique avec elle-même décalée d'un pas de temps variant
de O à m (troncature) selon un pas d'échantillonnage Æ. Les événements peuvent être
considérés comme indépendants quand rj < 0,2 (Amraoui et al., 2004). Il est alors possible de
mettre en évidence toutes les structures qui, dans les données, rendent compte des
mécanismes (structurés ou aléatoires) intervenant dans la dynamique du système étudié fini.
L'analyse du débit de la ZNS a été réalisée à un pas de temps hebdomadaire et une troncature
de 79 semaines qui correspond à la totalité de l’échantillonnage (Décembre 2005-Juin 2007).
08 +
06 +
ü4 +
Autocarélation
a
Se
020 12,24.5.6.7.8 91m irtaus Ève)
Décelage (semaines)
Figure II-7 : Corrélogramme simple des débits de la ZNS des Grosliers.
La figure II-7 montre le corrélogramme simple des débits de la ZNS. On note une
décroissance assez lente, témoignant d’un effet mémoire important. On atteint une Chapitre III : Etude des transferts pluie/ zone non saturée/ zone saturée
autocorrélation de 0,2 pour un décalage k = 10 semaines, indiqué par la flèche. Le système
module le signal d'entrée et a donc un comportement régulateur et inertiel. La ZNS des
Grosliers lisse donc les extrêmes pluviométriques. Dans le cas de la coulée basaltique des
Grosliers, la couche scoriacée pourrait également jouer le rôle de réserve alimentant des
fissures dans la coulée massive. Cette hypothèse serait cohérente avec une circulation à la
surface de la coulée, composée de matériaux pyroclastiques (cf figure INI-4).
Le corrélogramme obtenu à partir des données de débit de la ZS (figure ITI-8) met en évidence
une décroissance lente ; rk atteint la valeur seuil de 0,2 à la 7°" semaine (indiqué par la
flèche). Ceci traduit une dépendance des évènements entre eux et un effet mémoire important
du système. Josnin et al. (2007) attribuent cet effet mémoire à la multiplicité des parcours de
l’eau dans la ZNS avant d’atteindre une nappe à la base des cônes stromboliens, la percolation
d’une goutte de pluie tombant au sommet du cône étant plus lente que celle d’une goutte
pénétrant le système à proximité de la base.
Autocorrélation
Décalage (semaines)
Figure IIL-8 : Corrélogramme simple des débits de la ZS des Grosliers.
La ZS, vraisemblablement alimentée par ce biais (cf. paragraphe IIL.1), montre cependant un
effet mémoire inférieur à celui de la ZNS. Josnin et al. (2007) ont mis en évidence une
diminution de l'effet mémoire des sources à l’aval des bassins volcaniques de la Chaîne des
Puys et l'influence des infiltrations latérales rapides au contact socle/coulée (cffigure 1-8)
pour expliquer ce phénomène. La ZNS, alimentée par des zones de plus basses altitudes (1e.
par l’eau s’infiltrant directement sur la coulée), doit probablement son plus grand effet
130 Chapitre II : Etude des transferts pluie/ zone non saturée/ zone saturée
mémoire au contexte géologique des circulations qui l’alimentent. La porosité et la
granulométrie des matériaux pyroclastiques diminuant à l’aval des bassins (lorsqu'on
s'éloigne des cônes stromboliens, cf. figure I-5) pourraient induire des circulations plus lentes
que celles observées dans la ZS.
Ce fait est par ailleurs cohérent avec le décalage temporel T observé sur la figure ITT-5.
IIL3. Paramètres physico-chimiques et chimiques du signal d’entrée, de la
ZNS et la ZS : Rôle du contexte géologique et environnemental dans
l’acquisition de la chimie
Le tableau IIT-4 donne les caractéristiques chimiques des eaux de pluies collectées à Sayat
(1/12/05-7/6/07), de la ZS et de la ZNS prélevées aux Grosliers et à Argnat (1/12/05-7/6/07 ;
5/10/06-7/6/07 pour la ZNS d’Argnat.
Anions Cations
n CE. pH Si0,|HCO; Ci NO; SO POS|Nat NH K' Mg” Ca* Pluie Sayat 71 DÉTS SET de) TOR ET DO 0 OSEO MO SN OS RS ZNS Grosliers | 79 2046 7,4 46,0! 112,1 4,1 3,7 4,9 2,2 [15.3 0.1 6,9 9,0 13,4 ZS.Grosliers | 79 257,9 7,2 35,9| 83,6 214 12,5 12,0 0,1 |145 O1 80 111 163 ZNS Argnat 35 123,6 6,8 2441 454 5,8 1,8 13,0 0,0 | 9,5 0,0 6,2 54 84 ZS'Argnat 46 210,8 166 33,101183,8 14,6 7,5 185 0,2 |13,4 0,1 7,7 10,8 16,5
Tableau IlI-4 : Caractéristiques physico-chimiques et chimiques des pluies à Sayat et des eaux
souterraines des Grosliers et d’Argnat (la conductivité est en uS.cm'!, les concentrations en mgl!, les moyennes sont pondérées par les hauteurs d’eau et les débits).
1IL.3.1. Paramètres physico-chimiques et origine des éléments
Le pH de l’eau souterraine est proche de la neutralité, de 7,2 à 7,4 pour les Grosliers et de 6,6
à 6,8 pour Argnat. L'eau des Grosliers est légèrement plus basique que l’eau circulant à
Argnat (ZS et ZNS). Ceci peut témoigner d’une interaction plus grande avec l’encaissant lié à
un transit plus long.
La moyenne pondérée de la conductivité électrique des précipitations est faible (C.E.= 14,9
uS.cm}) par rapport à celles des eaux souterraines. Les ZS d’Argnat et des Grosliers
présentent une conductivité électrique plus élevée (ZS Argnat = 210,8 uS.em!, ZS Grosliers
131 Chapitre II : Etude des transferts pluie/ zone non saturée/ zone saturée
= 257,9 uS.cm'!) que les ZNS (ZNS Argnat = 123,6 uS.em!, ZNS Grosliers = 204,6 uS.cm is,
Le faciès chimique des eaux des ZNS et des ZS des Grosliers et d’Argnat est bicarbonaté
calcique et magnésien (figure IlI-9). L'analyse du triangle des anions montre que les eaux
souterraines sont largement influencées par les bicarbonates. Cependant, on constate des
disparités : alors que la ZNS des Grosliers est clairement bicarbonatée, les ZS sont davantage
sous l'influence du couple nitrates/ chlorures. La ZNS d’Argnat montre quant à elle une forte
participation des sulfates. Le triangle des cations ne présente pas d’élément dominant dans le
faciès des eaux souterraines.
Ces observations indiquent que la chimie de la pluie subit des modifications importantes lors
de son parcours dans le milieu souterrain.
Diagramme de Piper
&
\g
S2 es
« A 4 EN
100 Ca 0 Le] 2 CINO3 100
= Figure III-9 : Diagramme de Piper de la pluie échantillonnée à Sayat (1), la ZNS et la ZS des Grosliers (2 et 3), la ZNS et la ZS de la galerie d’Argnat (4 et 5).
132 Chapitre Il : Etude des transferts pluie/ zone non saturée/ zone saturée
L'apport d'éléments chimiques par les précipitations peut être évalué à partir des
concentrations relevées dans la pluie et d’un facteur de concentration tenant compte des
phénomènes d'évapotranspiration (Appelo et Postma, 1994). Si l’on tient compte d’un facteur
de concentration proche de 2,64 correspondant au rapport pluie/ pluie efficace dans notre zone
d'étude, nous obtenons alors les concentrations suivantes (tableau IlI-5).
HCO; CT NO; S04 POS Na’ NH K° Mg” Ca” Pluie Sayat 3,08 1,03 1,57 1,02 0,04 0,54 0,70 0,51 0,30 2,27 Apports par la pluie 8.14 2,72 4,14 2,70 0,10 1,43 nd. 1,35 0,79 5,98
Tableau III-5 : Calcul des apports météoriques en éléments chimiques dans les eaux souterraines (mg).
La comparaison des apports météoriques et des concentrations moyennes en éléments dissous
dans les différents compartiments étudiés (figure III-10) nous permet alors de constater que
les apports atmosphériques contribuent très majoritairement à la minéralisation en chlorures,
nitrates et sulfates de la ZNS des Grosliers et en chlorures et nitrates pour la ZNS d’Argnat.
En revanche, les concentrations en K*, Na*, Mg°*, Ca*, HCO3 et SiO> ne dépendent pas ou
peu de ces apports, témoignant d’une mise en solution postérieure à l'entrée de l’eau dans le
système. C’est également le cas pour NOx, Cl et SO47 retrouvés dans les ZS.
30
25 M Apoonts précipitations BZNS Grosliers DZS Groshiers
BZNS Argnat SZS Arguat
mgll
Figure II1-10 : Concentrations chimiques moyennes dans la pluie efficace et dans la ZS et la ZNS de la galerie des Grosliers et de la galerie d’Argnat.
133 Chapitre II : Etude des transferts pluie/ zone non saturée/ zone saturée
HCO;, Na‘, Mg, K*, Na‘ et SiO: sont associés à l’altération des minéraux silicatés par l’eau
(Berner et Berner, 1987 ; Appelo et Postma, 1994). Ce mécanisme implique des réactions
acide-base. Au cours de ces réactions, les minéraux se comportent comme des bases et le CO:
dissous dans l’eau comme un acide. La réaction de dissolution peut s’écrire :
CO, (g)+H,0eE% ;H,CO, 4H +HCO;+£2H" +CO; (équation 14)
Une fois chargées en CO>,, les eaux acides sont capables de dissoudre les roches carbonatées
ou silicatées suivant une réaction triphasique (roches, eau et CO:), chacune de ces phases
étant le siège d'une chaîne d’équilibres. Dans le cas des minéraux silicatés, la dissolution
congruente est rare et conduit généralement à la formation de minéraux secondaires tels que la
kaolinite, la montmorrillonite ou la gibbsite. L’altération des silicates peut avoir un effet sur la
minéralisation carbonatée des eaux. La consommation de CO; entraîne une remobilisation
dans la distribution des espèces carbonées du Carbone Inorganique Total Dissous (CITD), par
la formation de bicarbonates associés. Dans le contexte des formations volcaniques ou
cristallines, nous pouvons citer l’altération des plagioclases tels que l’albite [NaAlSi:Os],
l’anorthite [CaAlSi:O3], les feldspaths potassiques [KAISi3Oë] et l’olivine [Mg2SiOi].
2NaAISi,0, + 2H* +9H,0 — 2Na° + ALSi,0,(OH), +4H,5i0,
Albite Kaolinite
CaAl,Si,0, + 24° +H,0 — Ca”* + ALSi,0,(0H),
Anorthite
KAISi,0, + 2H* +9H,0 = 2K* +7 ALSLO, (OH), +4H,5i0,
FeldspathK
Mg,$i0, +4H*+4H,0 = 2Mg* +H,Si0, +4HCO;
Olivine
[CaMg,, A1: ,10, +3.4H* +1.1H,0 — 0.3A1,8i,0, (OH), + Ca” +0.7Mg” +1.1H,5i0,
Pyroxène É
Les analyses chimiques des laves du bassin d’Argnat disponibles au Laboratoire Magmas et
Volcans (de Goër et Claval, non publiées) ont permis d’établir leurs compositions normatives,
indiquant ainsi l'abondance fictive de ces minéraux (tableau ITI-6).
134 Chapitre II : Etude des transferts pluie/ zone non saturée/ zone saturée
Nom IUGS Basalte subalcalin | Trachybasalte potassique
Coulée Grosliers Féligonde % poids
Orthose 9,1 10,64
Albite 20,38 17,53 Anorthite 22,7 21,86 Forstérite 8,63 6,68 Diopside 19,66 21,69
Tableau NIT-6 : Composition minéralogique normative de la coulée des Grosliers et de la coulée de
Féligonde (analyses réalisées par de Goer et Clayal, non publiées).
Ces derniers sont par ailleurs parmi les minéraux les plus altérables contenus dans les roches
silicatés (Figure IN-11).
+
Altérabilité
Olivine . x Plagioclase calcique
Pyroxène
Plagioclase intermédiaire
Amphibole
Plagioclase sodique
Biotite
Feldspath potassique
Muscovite
Quartz
Figure III-11 : Série d’altérabilité des minéraux silicatés de Goldich (d’après Appelo et Postma, 1994),
La présence fictive de ces minéraux contenant K, Na, Mg, Ca et leur forte réactivité aux
attaques par l’eau peut expliquer l’absence de cations dominants dans les eaux.
Les concentrations en chlorures, nitrates et sulfates dans les ZS ([CI] = 14,6 mel et 21,4
mel, [NO:] =7,5 mg.l! et 12,5 mel”, [S047] = 8,5 mgl* et 12,0 mg! respectivement
pour Argnat et les Grosliers), n’étant pas dues à la dissolution de l’encaissant, et étant peu
tributaires des apports atmosphériques, leur origine tient donc à des apports exogènes.
135 Chapitre II : Etude des transferts pluie/ zone non saturée/ zone saturée
Les chlorures présents dans l’eau peuvent avoir une origine anthropique : apport par le salage
des routes en hiver, par les eaux usées, ou l’agriculture (Freeze and Cherry, 1979 ; Joux,
2002 ; Aiuppia et al., 2003).
Les nitrates et les sulfates retrouvés dans l’eau peuvent avoir plusieurs origines. À la source
météorique s'ajoute une origine liée à l’activité bactérienne : les microorganismes peuvent
transformer la matière organique naturelle ou liée aux activités anthropiques, par diverses
réactions aérobies aboutissant à la formation de sulfates et de nitrates (Pellet et Mercier,
2004). Ces éléments peuvent également provenir des eaux usées : eaux d’égouts, lessivage de
terrains agricoles (Freeze et Cherry, 1979 ; Aiuppia et al., 2003). Le diagramme de Piper
montre que la chimie de la ZNS d’Argnat est marquée par les sulfates (8041 13,0 mg.l').
A l'aplomb de la galerie d’Argnat, l'entretien de la ligne de chemin de fer se situant quelques
centaines de mètres en amont, peut faire intervenir des produits sulfatés solubles dans l’eau
(produits phytosanitaires).
Enfin, il faut souligner que les phosphates sont uniquement présents dans la ZNS des
Grosliers ([PO41= 2,2 mel). Ils peuvent provenir de l’utilisation d'engrais, de détergents,
de la production de déchets industriels ou du rejet d'eaux usées (Aiuppia ef al., 2003). Dans le
contexte de notre étude, ils peuvent être associés à une surface agricole ou à une pollution
localisée. Les phosphates étant rapidement piégés par les argiles du sol (Berner et Berner,
1987), sa présence dans la ZNS pourrait être le fait d’une contamination juste avant
l’infiltration de l’eau via les fissures verticales de la coulée.
Afin de comprendre la variabilité des compositions chimiques entre la ZNS et la ZS, nous
avons procédé à une analyse en composante principale (figure III-12). Cette approche permet
de prendre en compte un grand nombre de variables - ici les concentrations en éléments
majeurs - afin de les discriminer en fonction de leurs variations relatives. Pour cela nous
avons utilisé les données acquises aux Grosliers ; ce captage fait l’objet de la plus longue
période de mesures (79 semaines).
136 Chapitre II : Etude des transferts pluie/ zone non saturée/ zone saturée
ae F2 (27%) >
o CE 1 L5 4 ü 3 4 é
axe F1 (61 #)-> axe FL (61 >
Figure III-12 : Analyse en composante principale des paramètres chimiques de la ZS et de la ZNS des
Grosliers, diagrammes des variables (A) et des individus (B).
Les deux premiers axes définis par l'analyse expliquent 88% de la variance totale. Le premier
facteur (axe F1) exprime 61% de la variance et est principalement associé aux éléments
exogènes (CI, NO;, sO:?). Dans une moindre mesure Ca”, Mg” et K* sont affiliés à cet
axe, indiquant que ce dernier est également influencé par la minéralisation globale de l’eau.
K* étant peu concentré dans les eaux circulant dans les milieux volcaniques - les feldspaths
potassiques étant moins altérables que les autres minéraux identifiés dans la coulée - sa
variabilité est sans doute influencée majoritairement par les apports anthropiques.
Le deuxième facteur associe les éléments liés à l’altération de l’encaissant : Ca*, Mg, Na’,
HCOx, exception faite de la silice. Ce résultat peut s’expliquer par: 1) l’absence de
dissolution de H4SiO: au moment de l’altération du pôle anorthite des plagioclases ; ce
dernier constitue par ailleurs la phase la plus abondante dans la coulée des Grosliers (cf.
tableau III-S) et 2) par la saturation en H4SiO, limitant la dissolulution (cf. paragraphe
1V.3.4).
Le diagramme des individus montre bien le fonctionnement différent des deux compartiments
ZNS et ZS. Alors que la variabilité chimique de la ZNS est fortement influencée par
l’altération des silicates et que les individus se déplacent le long de l’axe F2, la ZS est plus
proche du pôle anthropique et les échantillons se répartissent d’avantage selon l’axe F1. Les
différences de concentrations et de faciès chimiques observés précédemment semblent donc
être liés à une différence de contexte géologique et environnemental entre les deux types de
circulations.
137 Chapitre II : Etude des transferts pluie/ zone non saturée/ zone saturée
Le suivi temporel des ZS et des ZNS nous permettra d'évaluer le parcours de l’eau et de
comprendre quel est le lien entre l’hydrodynamique et la signature chimique dans chaque
compartiment.
IIL.3.2. Evolution temporelle des concentrations chimiques
Les figures II-13, I-14, 11-15 et III-16 montrent l’évolution des ions majeurs et du ie)
dans la ZNS et la ZS des Groliers. Les figures IlI-17 et III-18 présentent les évolutions
chimiques de la ZNS et la ZS d’Argnat.
138 Chapitre II : Etude des transferts pluie/ zone non saturée/ zone saturée
4 à
À
À
û 1.4E-05
5 | | 1.305
KO
2 13E05 à E 40 + #
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30 2 puis (man/sem) Lonené
—+— débit ZNS (Lsem) !
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£ 16 +6 £g 5 el l: à
#7 +10 82+ É 4 7 12
86 14
Figure II-13 : Evolution temporelle du NO;, CT, SO}, PO et 5 *O dans la ZNS des Grosliers.
139 Chapitre Il : Etude des transferts pluie/ zone non saturée/ zone saturée
g°
80
TT dl M] Îl
LS £ $ $ & a Æ
& _ ]
2 ARPS jt ann A | 1.0E-05 = pluie (mm/sem) 7 débit ZNS (L'sem) 1.4E-05 1.3E-05 1.2E-05 1.1E-05 S.0E-06 100 8.0E-0é AU éu
20
6+
a |
T 10
2: B—Nat—+—Kt4Met Cat ÉTSA
ü + + + +— + 0
330 170
260 +
340 +
230 +
péfem
200
180 +
—8— CE.
—+— Eicarbonates
160 + + + + F L
débit (15)
F0] mg/l
mg/l
Figure I1-14 : Evolution temporelle du Na°, K*, Mg, Ca’* et de la conductivité éléctrique de la ZNS des Grosliers.
140 Chapitre I : Etude des transferts pluie/ zone non saturée/ zone saturée
débit (Us) Fémm) é0 T
g0 + = pluie (rara/sera) FT
a débit ZS (Us) Le
i0û a
gl 17 + Cr —8-N0; so
380
370 7
260 7
Hem 250 7
240 T
330
Figure 11-15 : Evolution temporelle des NO; CT, SO,7 et conductivité éléctrique dans le ZS des Grosliers.
141 Chapitre III : Etude des transferts pluie/ zone non saturée/ zone saturée
æ
Fe E
1
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3
80 7 CE phuie Émm/sem) 7
9 débit ZS (LS) [ É
nT % ire” sn ÀdeAV
10 Ke
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HT +10
eat —ekRt Met Cat Si0,
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T-10
T 12
4
880 Z5 80 pluie
TZ
——— pluie
Figure 11-16 : Evolution temporelle du Ca”, du Mg”, du Na‘, K*, SiO: et du 8 *O dans la ZS des Grosliers.
142 Chapitre II : Etude des transferts pluie/ zone non saturée/ zone saturée
û I 12805
ÿ 5 10 108.05
15 a s0E0é &
Ë 2 ds È
# 4 énEûé à
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SE [fa0e06
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120 + 2\/ vas 4
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H0-
30
100 25
Figure [1-17 : Evolution temporelle des concentrations et de la conductivité éléctrique dans la ZNS
d’Argnat.
143 Chapitre Il : Etude des transferts pluie/ zone non saturée/ zone saturée
10
20
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PGrmm) pu
60
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15
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+ Û . Ë
+ an
—+— Bisabonates
CE. T2 Li]
204
Figure I-18 : Evolution temporelle des NO;, CI, SO4”, Na*, Mg, K*, Ca”, HCO; et de la conductivité éléctrique dans la ZS d’Argnat.
144 Chapitre III : Etude des transferts pluie/ zone non saturée/ zone saturée
Les courbes d'évolution des éléments chimiques sont globalement lissées. Ceci confirme le
pouvoir régulateur des formations volcaniques déjà mis en évidence lors de l'étude de
l'hydrodynamique. Ce fait est cohérent avec l’évolution isotopique de la ZS et de la ZNS des
Grosliers. Les variations du 5!*O sont considérablement atténuées par rapport aux variations
observées dans la pluie. On notera tout de même l'apparition de certains pics dans la ZS ou la
ZNS des Grosliers. L'interprétation de ces derniers reste délicate car ils ne sont pas associés à
des variations chimiques notables. Ils pourraient trouver leur origine dans l’activation
temporaire de jeux de fissures alimentés par un événement pluvieux en particulier (Bouchet,
1987).
Malgré cette atténuation, la minéralisation montre des modifications cycliques. Ces dernières
sont de nature différente selon le compartiment considéré.
Les ZNS des Grosliers et d’Argnat présentent des variations concomitantes de HCOs, Na’,
Mg*, K*, Na’, Ca”* et conductivité électrique. Pour les Grosliers, la minéralisation maximale
est observée pendant la période estivale (juillet, août, septembre 2006). À Argnat, compte
tenu de la période d’échantillonnage (octobre 2006-juin 2007), les courbes tracées concernent
uniquement l’hiver 2006 et le printemps 2007, et montrent une phase descendante puis
ascendante, confirmant cette saisonnalité, NO, SO, CT et POS” montrent de très faibles
variations. Dans la ZNS des Grosliers, Cl et NO3 augmentent très légèrement avec le débit,
ceci témoigne d’un mécanisme de lessivage en surface avant de circuler au toit de la coulée.
Au contraire, les PO; sont dilués en période de hautes eaux. Ce comportement, différent de
celui des autres éléments pourrait s’expliquer par le passage de l'eau au niveau d’une source
ponctuelle. Lorsqu'une plus grande quantité d’eau parvient au niveau de cette source,
l'interaction avec cet élément diminue. Enfin l’évolution temporelle des sulfates précède
légèrement l'augmentation de débit. Cela pourrait signifier que l’eau nouvelle pousse une eau
qui a stagné dans les pores ou les fissures de la roche (effet piston) au sein desquels une
minéralisation de la matière organique par les populations microbiennes a pu se produire
(Holm et al., 1992 ; Van Schie and Fletcher, 1999). Un comportement similaire est observable
pour les sulfates dans la ZNS d’Argnat. Compte tenu de la gamme des concentrations relevées
dans ce compartiment, une double origine, à la fois anthropique et microbienne peut être
envisagée. En revanche pour la ZNS d’Argnat, nitrates et chlorures restent stables, traduisant
probablement, compte tenu des faibles teneurs mesurées, un apport exclusif des précipitations.
145 Chapitre III : Etude des transferts pluie/ zone non saturée/ zone saturée
La ZS des Grosliers présente des co-variations en nitrates, sulfates, chlorures, et conductivité
électrique avec le débit. La légère augmentation de Na° corrélée aux pics de CI et de débit
semble indiquer une origine anthropique des chlorures. Bien que le sel de deverglaçage soit
utilisé principalement en hiver, le flux de NaCI augmente lorsque les pluies de printemps
lessivent le sol et que l’infiltration efficace est maximale (Joux, 2002), L'évolution
saisonnière de ces éléments permet de démontrer un apport de surface, caractérisé par un
transit rapide (environ 1 mois). Ce comportement pourrait s'expliquer par les apports via le
ruissellement sur socle, qui induisent une baisse de l'effet mémoire de l’aquifère (cf.
paragraphe III.2.2).
La ZS d’Argnat montre une relative stabilité des concentrations chimiques et de la
conductivité électrique. On notera cependant une légère augmentation du calcium à l’échelle
de la période de mesure, ainsi qu’une très légère dilution de CI, NOs, SO? lors du printemps
2007 qui correspond à l'augmentation la plus significative du débit.
Les différences de comportement existant entre les ZS d'Argnat et des Grosliers sont
probablement dues d’une part à des zones d’alimentations différentes (1090 m pour Argnat
contre 980 m pour les Grosliers) moins perturbées en amont qu’en aval. De plus, le débit de
base important de la galerie d’Argnat (106 Ls! en période de basses eaux, soit près d’un tiers
du débit total du bassin) peut tamponner les variations chimiques, alors que le captage des
Grosliers (Débit 10 1.s !) est plus sensible à l’arrivée d’une eau chargée en éléments lessivés
(CT, NO, SO). Au vu des faibles concentrations en éléments exogènes dans les ZNS, les
infiltrations directes sur coulée ne peuvent pas expliquer les évolutions des ZS. L'alimentation
de la zone saturée serait donc majoritairement liée à une autre composante horizontale. Cette
dernière circulerait dans une zone caractérisée par une occupation des sols urbaine et/ou
agricole, c'est-à-dire à basse altitude. Bouchet (1987) et Joux (2002) attribuent ces évolutions
saisonnières à des apports en provenance du socle affleurant de part et d’autre des coulées
volcaniques. Cette hypothèse serait cohérente avec les résultats obtenus à partir des analyses
corrélatoires.
Le comportement des éléments liés à la dissolution des silicates n'étant pas expliqué par
l’évolution du débit, que ce soit dans la ZS ou dans la ZNS, la connaissance de l’origine du
CO», à l’origine de l’altération, et de son comportement dans le milieu pourraient nous
permettre d’expliciter le mécanisme de l’altération dans le milieu volcanique.
146 Chapitre Il : Etude des transferts pluie/ zone non saturée/ zone saturée
IIL.4, Evolution temporelle du marquage du d*C du carbone inorganique total dissous (CITD) de la ZNS et de la ZS
114.1. Principe de traçage isotopique du CITD par le carbone-13
IIL.4.1.1. Présentation des principaux réservoirs de CO: et leur marquage en carbone-13
Quatre origines principales sont distinguées pour le CITD (Amiotte-Suchet et al., 1999 ;
Allard et al., 1997) : 1) la dissolution de CO: du sol lors de la percolation ; 2) la dissolution
des minéraux carbonatés potentiellement présents dans le sol et l'aquifère ; 3) l'incorporation
de CO; atmosphérique lors du trajet aérien antérieur à l’infiltration ou lors de l'écoulement en
surface pour les rivières et ruisseaux ; 4) les venues de CO profond ou lié à des
mécanismes de décarbonatation d’un matériel sédimentaire, ou émis directement par le
manteau,
Les rapports isotopiques en SC résultant de ces processus sont suffisamment différents pour
préciser l’origine du CITD dans l’eau. On considère la plupart des sols dans un état quasi-
stable : la composition du CO: du sol est très proche de celle des contributeurs biologiques à
ce même soi (Amundson er al., 1998). La plupart des plantes des zones tempérées ont un
cycle en C3 (production d’une molécule à trois atomes de carbone suivant le cycle de Calvin),
excepté le maïs en C4 (cycle de Hatch-Slack). Les rapports isotopiques produits par cette
matière organique sont proches de -27% pour les plantes C3 (Deines, 1980), -12% pour les
plantes C4 (Vogel, 1993). Pour les sols influencés par l’activité respiratoire des plantes en C3,
comme c'est le cas sur le bassin d’Argnat, la signature isotopique du CO) est dans une
gamme de valeurs comprises entre -22 et -25% (Bakalowicz, 1979) par suite d'un
enrichissement de 4,4% entre gaz du sol et matière organique (Cerling, 1984). Des valeurs
proches de -7%o (Craig, 1953) sont enregistrées par le CO atmosphérique en atmosphère
non polluée. Cependant, compte tenu de la combustion de matières organiques fossiles
appauvries depuis la Révolution Industrielle dans l’hémisphère Nord, la valeur s’est
légèrement appauvrie et est égale à -8% (Cerling et al., 1991 ; Levin er al., 1995).
Les rapports isotopiques de CO produits par dégazage mantellique se situent entre —4 et —
8%o (Blavoux et al., 1982 ; Potter et Longstaffe, 2007). Les émanations de gaz carbonique
d’origine mantellique, associées ou non à des sources minérales sont connues en Auvergne
147 Chapitre III : Etude des transferts pluie/ zone non saturée/ zone saturée
(Camus ef al., 1993 ; Batard et al., 1978). Batard et al. (1982) ont déterminé la signature
isotopique du flux de CO: survenant sous la couverture volcanique de la Chaîne des Puys
8C = -6,6 + 0,8%. Ce flux permanent de gaz carbonique correspond à un dégazage du
manteau lié à la faible épaisseur et à la fracturation de la croûte continentale sous le Massif
Central Français (Camus er al., 1993) (figure III-19).
Frécipitation
Zone non saturée
range capillaire
Zune saturée
88 =-7 %0 (COmant)
Figure II1-19 : Signatures isotopiques en carbone-13 des différentes sources de CO, gazeux.
IL.4.1.2. Fractionnement du carbone-13
La mise en solution du CO:% est régie par des équilibres chimiques réversibles et
thermodépendants, qui conduisent à la formation de différentes espèces en solution : H:COs,
HCOz et CO; (équation 15). Leur répartition est fonction du pH et de la température.
Les constantes d’équilibre Kco, K1, K2 contrôlent l’enchaînement de ces réactions. A
l'équilibre chimique, ces constantes sont définies par les relations suivantes :
_ [H,C0;] _ [H*]XIHCO, ] . [H*]x{CO,”] = K, = K, = "5 K
7 pCo, ! [H,C0,] 7 [HCO,] (équation 15)
148 Chapitre II : Etude des transferts pluie/ zone non saturée/ zone saturée
Dans un système ouvert sur le COS. c'est-à-dire mettant en présence une phase gazeuse
(CO:), une phase aqueuse et l’encaissant, la pression partielle équilibrante du CO: dans la
phase liquide (pCOze) est égale à la pression partielle du CO de la phase gazeuse, la loi de
Henry fixant la valeur de l'équilibre (Clark et Fritz, 1997). La ZNS est considérée comme
ouverte sur le CO. À l'inverse, la ZS, constituant une nappe, est globalement considérée
(excepté au niveau de la surface de la nappe où des échanges gazeux peuvent se produire)
comme un système bi-phasique mettant uniquement en présence l’eau et l’encaissant
(Emblanch, 1997). Dans ce cas, quelle que soit la valeur du pH de la solution, la teneur en
CITD est constante ; seules les proportions entre les différentes espèces peuvent varier (figure
III-20).
(H2CO;) + (HCOs) + (CO:”) = constante
os
os D
o7
os
06
Log[E] où
08
92
où
Proportion de l'espèce rapportée au CITD
Figure INI-20 : Répartition des espèces carbonées en système ouvert ou fermé (d’après Stumm et Morgan, 1981).
Lors de ces changements de phase, il y a fractionnement isotopique ; le plus significatif étant
celui qui intervient lors de la dissociation du COz(ÿ en bicarbonates (tableau IlI-7).
149 Chapitre Il : Etude des transferts pluie/ zone non saturée/ zone saturée
Facteur de
fractionnement Équation Référence
T3,
& *Cco2ao-co2«) 10° Ina PCcoa-co2e = - 0,373 (10° T')+0,19 Vogel et al., 1970 T3
8 "Cncos - cou 10° Ing Cacos- coxe = 9,552 (10° T') - 24,10 Mook et al., 1974 T3,
£ Ccos-co® 10° Ina "Ccos- cor = 0,87 (10° T7) — 3,4 Deines et al., 1974
13,
& Cco2)-Caco3
10% Ina Cco2w -cacos = - 2,988 (106 T*) + 7,6663
(0° T'!) - 2,4642 Bottinga, 1968
Tableau I-7 : Calcul des facteurs de fractionnement du carbone minéral en fonction de la température (en °K).
Considérant que le 8! *Cerm provient de la dissolution de CO;, il est possible de calculer la
pression de CO avec laquelle l’eau est en équilibre Le calcul de la pCO> équilibrante
(équation 16) est effectué en considérant tous les équilibres sont atteints aux valeurs mesurées
de pH et de HCO; sur le terrain (Freeze et Cherry, 1979) :
pCO;
_ aHCO, xaH”
K, (DK co, (D)
(équation 16)
a HCO3 ; a H': activité des ions
Ki(T) : constante de dissociation de H:CO;
Kco(T) : constante de la loi de Henry.
1.4.2. Origine du CITD de la ZNS
T11.4.2.1. Evolution 5 *Ccrmo et de la pCO2., de la ZNS
La figure INI-21 montre l’évolution de Ca*, Mg*, HCO:;, du 8 Cemn et de la PCOzeq
calculée au cours de la période de mesure (avril 2006-avril 2007).
Les signatures en 8 Cerro de la ZNS des Grosliers varient de -17%o à -0,7% avec une valeur
moyenne de -12,5 + 1,3%0 et présentent une évolution concomitante avec la pCO:., .Cette co-
variation peut être attribuée à l’effet du fractionnement isotopique, avec un signal plus pauvre
lorsque la forme aqueuse du CO» est abondante par rapport aux bicarbonates.
150 Chapitre III : Etude des transferts pluie/ zone non saturée/ zone saturée
ë
8 à
Lo
9û + —s-xcol- > pc as 17
80 8
15802
128.02
9.0E-03 a
ë £
5 60E-03+ ci
30803 1
0.0E+00
Figure III-21 : Evolution temporelle chimie, de la pCO:., et 8 Ccrrp dans la ZNS des Grosliers.
151 Chapitre III : Etude des transferts pluie/ zone non saturée/ zone saturée
La figure INI-22 montre qu’il existe effectivement une relation linéaire entre la signature du
CITD et la pCO: équilibrante dans l’eau de la ZNS: le 5°C diminue quand la pCO>
augmente,
- +
Æ
&,-11 7
£
d 4134 Éo
-13-
+
47 r - -
û 5.0E-03 1.0E-02 1.5E-02
PC'Ceg Catri)
Figure Il-22 : Relation entre la signature en carbone-13 et la pCO:., dans la ZNS des Grosliers.
L'augmentation du 5/°C et la diminution de la pCOz, se produisent respectivement à partir du
1/6/2006 et ce, jusqu’au 1/11/2006. Ces variations sont généralement associées à des
augmentations de la température de l’eau (Matsuoka ef al., 2001, Kawaï et al., 2006 ; Hori ef
al., 2008). Au cours de notre étude, compte tenu du prélèvement hebdomadaire, nous n'avons
pas pu mesurer directement la température de l’eau de la ZNS. La figure II-23 présente les
variations de la pCOz et de la température hebdomadaire de l'air relevée à la station
météorologique de Sayat.
152 Chapitre III : Etude des transferts pluie/ zone non saturée/ zone saturée
2.0E-02 35 -a— pC0 188024 30
—+— Toy hebdo Pétiode de mesure du catbone-13 :
1.6E-024 25
1.4E-02+
E 1x al 6 E, fl Là 107024 a fi 1 = a ul nil É
80E034
60803$
408-03-
Fe 208-034
ÿ 6 & 6 D & 6 À di F RÉà 5a CSS En S
#. LD "spsPsseSN,a Ca ORAN É
SR RES ER EEE ES
Figure III-23 : Variations temporelles de la température moyenne hebdomadaire de l’air et de la pCO;
équilibrante dans la ZNS des Grosliers (Décembre 2005-Juin 2007).
La figure III-23 montre une co-Variation entre la pCO. et la température de l’air, et donc
vraisemblablement la température du sol. La pCO du sol augmente en été, consécutivement à
une décomposition organique et une respiration racinaire accrue (Readon er al, 1979;
Hamada et Tanaka, 2001). Cette relation de dépendance a déjà été démontrée par Reich et
Potter (1995), Rey ef al. (2002), Reth er al. (2005), Lobhila et al. (2007) et témoigne d’une
circulation d’eau très superficielle.
Les courbes de variations des éléments liés à l’altération des silicates (Ca*, Me, HCO;)
présentent un décalage de l’ordre de 3 semaines avec la courbe de la pCO2. Si on considère
la ZNS ouverte sur une source de CO gazeux, dont la dissolution est quasi-instantanée
(Dreybrodt, 1998), le décalage observé peut être attribué au passage du CO: dissous sous la
forme de bicarbonates et donc au mécanisme d’altération. Ce décalage de trois semaines
correspond en effet aux cinétiques de dissolution des silicates retrouvées par Dafny ef al.
(2006).
153 Chapitre IL : Etude des transferts pluie/ zone non saturée/ zone saturée
La minéralisation de la ZNS est donc en étroite relation avec la température du sol et la source
du CO» dans la ZNS semble donc être biogénique,
I11.4.2.2. Mise en évidence de l’origine biogénique du CITD
Si la source du CITD est biogénique, la signature en carbone-13 de l’eau souterraine va
dépendre de la signature du CO2 produit dans le sol et des facteurs de fractionnement liés au
passage du CO sous les différentes formes d'espèces minérales carbonées.
Les données de 8/°C du CO du sol sont abondantes dans la littérature (tableau III-8). Compte
tenu du contexte de notre étude, nous nous sommes intéressé aux sols recouverts par des
plantes de type Ca.
5 Ccozy moyen du sol VPDB (%c) | Nombre d'observations Références -21,5 6 Rightmire, 1978
-21,0 38 Dever, 1985
-22,5 16 Merlot et al., 1996
-212 3 Emblanch, 1997
-21,0 7 Batiot, 2002
Tableau INI-8 : Valeurs en carbone-13 du CO, du sol, pour les plantes en C3.
La grande variabilité des valeurs isotopiques mesurées pour un même sol (Batiot, 2002 ;
Amiotte-Suchet et al., 1999) nous a conduit à choisir la moyenne de -21% (Dever, 1985)
calculée à partir du plus grand nombre (38 mesures) d'échantillons de CO.
À partir de cette valeur et considérant qu’une partie de la variabilité des compositions
isotopiques peut s'expliquer par des fractionnements isotopiques thermo-dépendants et pH-
dépendants, nous pouvons calculer pour chaque échantillon la composition isotopique
théorique du carbone inorganique total dissous dans l’eau (Deines ef al., 1974 ; Rose ef al.,
1996 : Brouste et al., 1997 ; Federico ef al., 2002). Pour cela, il faut d’abord tenir compte de
la répartition des espèces carbonées présentes en solution. Cette répartition est calculée en
utilisant les concentrations en bicarbonates, les valeurs de pH mesurées sur le terrain et les
constantes d’équilibres entre les différentes espèces carbonées pour une température
équivalente a celle du milieu souterrain (10°C) (cf équation 15) :
154 Chapitre II : Etude des transferts pluie/ zone non saturée/ zone saturée
[HCO, 1H°]
[H,C0,1=
(co, 3- ÉACO; 1
[H°]
Les fractionnements isotopiques sont par ailleurs calculés pour une température de 10°C (cf
tableau INI-7), ce qui permet de déterminer le 8C de chaque espèce à partir de la signature
isotopique supposée du CO source (SC = -21 %). On peut alors obtenir le 5 Cor en
pondérant les signatures de H2CO:, HCO:, CO par leur concentrations respectives
(équation 17).
c [H,CO, 18” C cos +IHCO, RC +[C0, 16" Co, _ Ô Com = [CITD) (équation 17)
La figure II-24 présente les variations de pCOz. et de 8 *Cer mesurés et calculés.
155 Chapitre III : Etude des transferts pluie/ zone non saturée/ zone saturée
LE-02 4
LE-02
LE-02 -
8.E-03 4
atm
6.E-03 +
4E-03 +
2.E-03 4
&
éd
=
©
5FCerm 659
—8— Mesures
—+— Equilibre CO, ain. avec CO, ag
Figure INI-24 : Evolution des 8"*Ccrr mesurés et calculés en système ouvert sur le CO: biogénique et de la PCOz dans la ZNS Grosliers.
L'hypothèse d’un milieu uniquement ouvert sur le CO: biogénique permet d’avoir une
évolution des signatures théoriques comparable à celle des signatures mesurées pour la
période du 11/5/06-18/10/06. L'hypothèse est donc validée pour cette période. En revanche
pour les périodes plus froides (30/3/06-10/5/06 et 19/10/06-7/2/07), les valeurs en 8 Ccrm
mesuré sont enrichies par rapport aux valeurs calculées. Ces deux intervalles correspondent
aux périodes où la pCOze, est la plus faible dans le milieu.
156 Chapitre II : Etude des transferts pluie/ zone non saturée/ zone saturée
Plusieurs mécanismes pourraient expliquer les valeurs moins négatives de 8 Ccrm mesuré
par rapport au 8 Ccrro calculé. Selon Matsuaoka ef al. (2001), la ventilation naturelle causée
par la différence de densité entre l'air souterrain et l'atmosphère entraîne des variations
isotopiques du CO> du sol. La ventilation se produit normalement en hiver quand l'air
souterrain, relativement chaud, est diffusé dans l'atmosphère (Quinn, 1988). La pression
partielle souterraine de CO: diminue alors à cause du flux d’air atmosphérique pénétrant le sol
(plus dense car plus froid), qui résulte de ce phénomène. Ce processus provoque un dégazage
de CO; contenu dans l’eau. Dans le cas où le dégazage du CO» de l’eau serait l’unique facteur
de variation ee la teneur en éléments majeurs dissous dans l’eau ne devrait pas être
influencée par ce phénomène. Si le CO: peut dégazer, les bicarbonates, liés aux mécanismes
d’altération, restent en solution pour respecter l’éléctro-neutralité de la solution. Le seul
dégazage de l'eau provoquerait alors une augmentation du pH, mais pas une baisse de la
minéralisation, comme on peut l’observer sur la figure ITI-21.
Le phénomène de précipitation de composés carbonatés tels que la calcite (CaCOs) ou la
dolomite (CaMg(CO:):) peut se traduire en revanche par une augmentation du pH couplée à
une bäisse de la minéralisation. Cette hypothèse se heurte cependant à deux constatations : 1)
le calcul des indices de saturation pour ces deux espèces montre que, durant toute notre
campagne de mesures, l’eau de la ZNS est sous-saturée (figure III-25), 2) la précipitation
provoquerait un appauvrissement du 8 Ccrro de l’eau puisque le minéral néoformé est enrichi
en carbone-13,
157 Chapitre III : Etude des transferts pluie/ zone non saturée/ zone saturée
ladice de saturation
-3.5 + IS calcite —B— IS dotomite "A
Figure INI-25 : Calcul des indices de saturation pour la calcite et la dolomie dans la ZNS des Groliers.
Enfin, Amiotte-Suchet ef al. (1999) indiquent qu’il peut y avoir une équilibration isotopique
entre le CO: biogénique dissous dans l’eau et le CO2 atmosphérique parvenant à pénétrer le
sol, ce qui provoquerait un enrichissement du 8 Cor. La dissolution du CO» du sol, qui
provient du carbone organique, a une signature plus négative en été que le CO: hivernal, ce
qui induit une diminution estivale du BÉ Corn dans l’eau en interaction avec le CO: du sol.
I11.4.2.3. Vérification de l’hypothèse de l’influence secondaire d’une équilibration
isotopique avec le CO: de l’atmosphère dans la ZNS
En utilisant l’équation 17, nous avons testé l’hypothèse d’une équilibration partielle du COz
avec le CO; atmosphérique (8 *Ccopam= -8%o; Levin et al., 1995). Les résultats de la
modélisation sont montrés sur la figure III-26.
158 Chapitre IT : Etude des transferts pluie/ zone non saturée/ zone saturée
1L.E-02
ati
—#— Mesures
Figure 11-26 : Evolution du 8 Ccrro mesuré et calculé pour un équilibre du CO,4 avec le CO; atmosphérique.
Nous obtenons une meilleure modélisation des données hivernales du 8 Corp de la ZNS
qu'avec une origine purement biogénique. Cette influence n’est en revanche pas observable
durant les périodes chaudes. Matsuoka et al. (2001) et Quinn (1988) estiment que l’air
atmosphérique pénètre plus facilement dans le milieu souterrain quand il est plus froid que ce
dernier. Nous avons donc pris en compte l'échange isotopique atmosphérique uniquement
quand la température moyenne hebdomadaire de l'air est inférieure à la température relevée
159 Chapitre II : Etude des transferts pluie/ zone non saturée/ zone saturée
dans la galerie des Grosliers (10,3°C toute l’année). Le couplage des deux courbes théoriques
est reporté sur la figure II-27.
1-03
0
8
—2— Mesures
51 = CO, biogènique + équilibre partiel CO, atm, en période froides
1 10 + Î
[1
#
-1i
SEC om Cd
5
D
=
Figure IIT-27 : Evolution du 8Ccrrp mesuré et calculé à partir d’un couplage d’une origine biogénique et atmosphérique.
Nous obtenons alors un calage cohérent avec les mesures. La période 1/2/2007-4/4/07 reste
toutefois inexpliquée par le modèle. Pour cette période, nous avons choisi la courbe
Se d'équilibre avec le CO> atmosphérique au vu des températures de l’air plus froides (entre 3,1
et 9,6°C) que celle de la galerie des Grosliers. Cependant, cette période est précédée de la
160 Chapitre II : Etude des transferts pluie/ zone non saturée/ zone saturée
semaine la plus froide de notre campagne de mesure (T-moy du 25 au 31/1/07 = -3,8°C). Il est
alors possible que le sol gelé (et recouvert par un manteau neigeux jusqu’à mi-février) ait
constitué une barrière thermique aux échanges entre atmosphère et sous-sol et de ce fait, ait
favorisé un marquage purement biogénique du CO. Ce phénomène d'isolation s'accompagne
d’une augmentation de la pCO: dans le sol (Dudziak et Halas, 1996). Ensuite, lors du dégel du
sol et de la fonte de la neige, les pores du sol peuvent se remplir d’eau, ce qui peut provoquer
une augmentation de la concentration de dioxyde de carbone accompagné d’un
appauvrissement du BFC: compte tenu de la stimulation l’activité respiratoire du sol par
l’augmentation de la température (Bleak, 1970 : Coxon et Parkinson, 1987).
Par conséquent, l’évolution de la signature en carbone-13 peut s'expliquer par une influence
purement biogénique en période chaude lorsque l’activité du sol est importante (PCO3sa >>
PCOam) et une influence mixte en période froide, lorsque le CO: de l’air peut intervenir et
modifier la signature du CO du sol.
II1.4.,3. Originalité du marquage isotopique de la ZS : intervention d'une source
enrichie en carbone-13
L'évolution temporelle des valeurs de 5 Cerm mesuré dans la ZS et la ZNS dé la galerie des
Grosliers est reportée sur la figure III-28. Les 8! Ccrrn des deux compartiments varient de
façon similaire et dans des gammes de valeurs proches (-12,9 + 1,3% pour la ZNS et -12,5 +
1,2%0 pour la ZS).
161 Chapitre III : Etude des transferts pluie/ zone non saturée/ zone saturée
FCO
|| an
Li A \
Si à \
RE SOS S Ss° SS “ S # 80 87 6 6 6 LE LE LE 8 LE LE LE CE se gd D OP OS 4 OO ES 8 € À S $ Figure I1-28 : Evolution du 8!*Corrn de la ZS et de la ZNS de la galerie des Grosliers.
Cependant, contrairement à la ZNS, la signature en carbone-13 de la ZS ne varie pas avec la
pression partielle équilibrante de CO. La pCOz4 ne montre pas de variations saisonnières
mais une augmentation régulière sur la période considérée (avril 2006-avril 2007) et se
poursuit jusqu’à la fin des prélèvements (juin 2007).
162 Chapitre II : Etude des transferts pluie/ zone non saturée/ zone saturée
La figure III-29 montre clairement deux périodes dans l’évolution de la pCO:. de la ZS. Les
pCOz calculées pour la ZS et la ZNS sont concomitantes pour la période avril 2006 - octobre
2006 durant laquelle les valeurs en carbone-13 sont appauvries par rapport à la moyenne. Ceci
montre que la ZS est, pour cette période, alimentée par un réservoir essentiellement ouvert sur
le CO biogénique. La deuxième période (octobre 2006 - avril 2007) est caractérisée par une
augmentation de la pCO>. et un enrichissement isotopique de la source de CO: dans la ZS.
Quoique cette dernière soit de manière générale légèrement enrichie par rapport à la valeur de
-21%o, cet enrichissement est plus important à partir du 5/10/06 avec des valeurs calculées
entre -19%o et -17%o pour le 8 *Cco. Le calcul de la part biogénique (équation 18) dans la
minéralisation carbonée de la ZS montre qu’elle est de l’ordre de 95% en moyenne avant le
5/10/06 et qu’elle chute à 83% en moyenne après cette date, Ceci confirme ainsi l'intervention
d’une source supplémentaire de CO: enrichie en carbone-13,
13, _ si 13 E) Ceoxsoire = xô C'eo2tins +yô Conan
13 4513 13 Ba
Ô Créésves = xô Cocos += 6 Coca (équation 18) 13 13, += Q Cconseuree —ô Cco2mant
13 1,
ë Ci —Ô Cocoon
Avec X la fraction biogénique et y la fraction mantellique participant à l'alimentation de la
ZS en CO.
163 Chapitre III : Etude des transferts pluie/ zone non saturée/ zone saturée
P Guam)
PCO
a Cab)
SPC co sou
69)
% CO, biogénique
IT
60
80
LL LU | Le
D pluie (mmsem)
100
1.6E-02
1.4E-02
1.3E-02
1.0E-03
8.0E-03
6.0E-03
4.0E-03
2.0E-03
— pco,, ZNS
-17
-19
Moyenne SEC ea
—— % CO; biogénique
5
LE
Ri S I Si E 3 œ n) Li A œ
5 4 D Ÿ PF
So S © Si S
6
Sy
6 D & & 4 a SSP LES SE À v & s SAC ES a ES
PS a À
go & +
Fc si 4 LÉ
À SO A LE
Ÿ ES
Figure II-29 : Evolution de la signature isotopique de la source de CO, et calcul de la part de CO: biogénique dans la ZS des Grosliers.
164 Chapitre III : Etude des transferts pluie/ zone non saturée/ zone saturée
Compte tenu des pressions partielles mises en jeu (de l’ordre de 1,2.107 atm), une origine
atmosphérique semble peu probable (pCO: de l'atmosphère : 3,7.10* atm). De plus,
contrairement à la ZNS, l'enrichissement en carbone-13 ne se produit pas quand la pCO
diminue, mais quand elle augmente. Par ailleurs, l’augmentation de la pCOz, au sein de la ZS
correspond à l’augmentation de la concentration en certains éléments, le calcium en
particulier (figure III-30). La source supplémentaire de CO: est donc responsable d’une
intensification de l’altération dans la zone saturée.
19 2.08-02
T1.88-02
ET
L 16802
11 7 L 14802
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Sr OR OC ECC
Figure IlI-30 : Evolution temporelle des teneurs en Ca* et de la pCO:., dans la ZS des Grosliers.
L'augmentation de la pCO»., et l'enrichissement du 8 Ccrm peuvent correspondre à venue
profonde de CO; sous le Massif Central (Camus et al., 1993) de signature enrichie FPCéox =-
6,6 + 0,8% (Batard ef al., 1982). Des apports en CO> mantellique ont déjà été observés dans
le bassin d’Argnat (Joux, 2002).
165 Chapitre II : Etude des transferts pluie/ zone non saturée/ zone saturée
III.5. Synthèse et discussion sur les transferts pluie/ ZNS/ ZS
L'étude de la pluie, des ZNS et des ZS d’Argnat et des Grosliers du point de vue
hydrodynamique, chimique et isotopique nous permet de conclure qu’il n’y a pas de transfert
direct du signal d'entrée dans les coulées volcaniques. La pluie alimente des réservoirs
présents au sein des coulées qui sont ensuite drainés par des fissures verticales jusqu’à la ZS.
L'étude de —a ZNS des Grosliers du point de vue isotopique montre par ailleurs qu'il peut y
avoir une forte composante horizontale dans la circulation de l’eau de la ZNS de la coulée des
Grosliers.
La ZNS et la ZS ont des faciès et des évolutions temporelles chimiques distinctes. En
particulier, les ZS montrent des teneurs plus élevées en chlorures et nitrates, qui proviennent
vraisemblablement d’un lessivage en surface. Les ZNS présentent quant à elles des teneurs
caractéristiques d’apports par le signal d'entrée. L'évolution temporelle des éléments liés à
l’altération montre une saisonnalité dans la ZNS. Cette évolution vient de la mise en solution
du CO> produit dans le sol dont la pression augmente avec l’activité métabolique des
microorganismes en période estivale. Les ZS ne montrent pas d’évolution saisonnière mais
une augmentation des teneurs en calcium est discernable sur l’ensemble de la période
considérée. Cette augmentation pourrait être le fait d’un apport supplémentaire de CO», à
partir d'octobre 2006, dont l’origine serait mantellique.
Ces résultats nous permettent donc de mettre en évidence la relative indépendance des ZS par
rapport au ZNS des coulées volcaniques tant du point de vue hydrodynamique que du point de
vue de l’acquisition de la minéralisation.
166 Chapitre IV
TRANSFERTS HORIZONTAUX AU SEIN DU
BASSIN D’ARGNAT Chapitre IV : Transferts horizontaux au sein du bassin d'Argnat
Le dernier volet de cette étude est consacré aux transferts d’eau et à l'acquisition de la chimie
des eaux du bassin d’Argnat depuis l’amont vers l’aval. Dans le chapitre précédent. nous
avons en effet démontré que le transfert vertical n'était probablement pas le mécanisme
principal de l’alimentation de la zone saturée. Dans ce contexte. et en nous basant sur l'étude
du point de vue spatial de diverses sources localisées sur les coulées composant le bassin
d’Argnat, notre objectif est de comprendre quel est le parcours de l’eau depuis l'amont vers
l'aval du bassin.
Pour caractériser ce transfert du point de vue de l'hydrodynamique, nous présenterons dans un
premier temps les résultats d’un traçage artificiel effectué à partir du trop-plein de la galerie
d’Argnat. Nous traiterons ensuite les données chimiques et isotopiques afin d’analyser
l’évolution spatio-temporelle de la chimie des eaux. Ce dernier aspect nous permettra
d'évaluer les interactions entre les écoulements souterrains, les coulées et l’environnement
des sources,
171 Sudeo 12p9€ np221n0$ Chapitre IV : Transferts horizontaux au sein du bassin d’Argnat
IV.1. Liaisons hydrauliques entre l’amont vers l’aval et caractérisation
hydrodynamique des circulations : Résultats du traçage artificiel.
IV.1.1. Problématique : vérification de l’existence de liaison hydraulique entre
le captage d’Argnat et la source du Bédat
Cette étude a été effectuée à la demande de la société ALTEAU, en charge de l'exploitation
du captage d’Argnat. Son objectif est de vérifier l'existence d’une liaison hydraulique entre le
débit réservé de la galerie d’Argnat et la source du Bédat (localisée 2,5 km en aval dans le
village de Sayat, à proximité du captage de la Vernède, figure IV-1). Le problème posé tient
au tarissement régulier de cette émergence naturelle depuis le début des années 1990. Ces
résultats seront également utilisés pour caractériser les circulations amont-aval dans les
coulées des Grosliers et de Blanzat.
Afin de résoudre cette problématique, nous avons réalisé un traçage à l’iodure de sodium, en
avril 2007, entre la galerie d’Argnat et quatre exutoires du bassin versant : la source du Bédat,
les Grosliers, la source de Féligonde et le lavoir de Blanzat. Les forages réalisés par le LRPC
(Belin et al., 1988 ; Gaubi, 1990) ont montré l'existence de deux niveaux aquifères, le premier
au contact substratum/coulée des Grosliers, le second situé sous la coulée de Blanzat (cf.
figure L14). Ce dernier intéresserait à la fois les émergences de Blanzat, Reilhat, Malauzat
mais aussi Féligonde et la source du Bédat. La position des sources de Féligonde et du Bédat,
en limite de la coulée de Féligonde, peut lier ces sources à une éventuelle troisième
circulation ; ces deux sources ayant par ailleurs enregistré de notables diminutions de débits
depuis l'exploitation de la galerie d’Argnat contrairement au captage des Grosliers (Livet,
2001). Un premier traçage au dysprosium a été réalisé en septembre 1988 dans le cadre de
l’avant-projet de l'autoroute Périgueux-Clermont-Ferrand (Belin et al., 1988). Le traceur a été
injecté dans le débit réservé de la galerie d’Argnat et a été retrouvé dans le captage de Reilhat
(coulée de Blanzat) et la galerie des Grosliers (coulée des Grosliers), démontrant ainsi
l'existence de liaisons hydrauliques entre les deux niveaux. Les vitesses maximales des
circulations ont été déterminées : 600 mj” (Grosliers) et 700 m.j! (Reilhat captée). Un autre
traçage a été effectué en octobre 1988 entre le forage C2 (cf. figure 1-14) et la galerie
d’Argnat. Les 2,5 tonnes de sel qui ont été déversées au forage C2, n'ont jamais été retrouvées
(Belin et al., 1988).
173 Chapitre IV : Transferts horizontaux au sein du bassin d’Argnat
IV.1.2. Réalisation du traçage
Le choix du traceur s’est porté sur l’iodure de sodium (Nal). Ce traceur montre une très bonne
stabilité chimique, une tendance à l’adsorption faible, une bonne solubilité dans l’eau, une
innocuité pour l’être humain, les animaux et les plantes, une limite de détection basse, une
quantification aisée, pas ou peu de charge polluante pour les eaux (Molinari et Peaudecerf,
1977).
Les analyses portent sur la présence d’iode, cet ion étant absent de notre milieu. Des blancs
concernant la teneur en traceur chimique avant traçage sont réalisés pour chaque source
(Annexe J). Les échantillons sont analysés sur le terrain par dosage au moyen d'une sonde
spécifique ISE25I (Radiometer Analytical), reliée à un multimètre portable Sension 2 (Hach),
après ajout d’une petite quantité de solution de KNO; à 0,1 M. Ce dernier permet d'obtenir un
niveau de force ionique suffisant pour assurer la qualité de la mesure. La limite de détection
pour ce matériel est de 16 gl! d'iodure. Des tests en laboratoire et sur le terrain ayant
montré que les concentrations inférieures à 10 ug.l'' étaient reproductibles, les concentrations
inférieures à ce seuil sont prises en compte.
L’injection a lieu le 27/3/07 à 10h20 : 4,5 kg d’iodure de sodium, mis préalablement en
solution, sont injectés dans la faille absorbant l'excédent de débit d'Argnat. L'échantillonnage
se fait à un pas de temps constant de 4 h (figure IV-2) au moyen de préleveurs automatiques
Sigma 900 installés au niveau des 4 exutoires sélectionnés selon leur contexte
hydrogéologique (les sources du Bédat et de Féligonde situées entre la coulée des Grosliers et
la coulée de Féligonde ; la galerie des Grosliers, le lavoir de Blanzat), leur facilité d’accès et
la possibilité d'assurer la protection du matériel. Les prélèvements ont été stoppés au bout de
16 jours, le traceur n’étant plus détecté.
174 Chapitre IV : Transferts horizontaux au sein du bassin d’Argnat
Injection
Venue d'eau
Préleve
Figure IV-2 : Injection d’iodure de sodium dans le trop-plein de la galerie d’Argnat et préleveur installé à
la source du Bédat.
IV.1.3. Mise en évidence de liaisons hydrauliques
Le traçage montre qu’il existe une liaison hydraulique entre le débit réservé de la galerie
d’Argnat et les points d’eau échantillonnés (source du Bédat, source de Féligonde, les
Grosliers et lavoir de Blanzat). Cette observation confirme par ailleurs l’existence de la
relation entre les deux niveaux de circulations déterminée par Belin er al. (1988).
IV.1.4. Calcul des vitesses de transit
La figure IV-3 montre les courbes de restitution du traceur pour les 4 émergences suivies. Le
traceur arrive simultanément à Féligonde, les Grosliers et Blanzat.
175 Chapitre IV : Transferts horizontaux au sein du bassin d'Argnat
70 -
60 -
50 - — Blanzat
— Grosliers
s 40 - — Source du Bédat
Ed me É 30 à — Féligonde
20 -
10 -
0 LEE AS D
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16
T (jours)
Figure IV-3 : Courbes de restitution du traceur pour le traçage de mars/avril 2007.
Le temps d'arrivée du traceur dépend donc non seulement de la distance à la source, mais
également des propriétés hydrodynamiques des milieux dans lesquels le traceur circule. Le
tableau IV-1 synthétise les vitesses maximales calculées pour chaque exutoire et les vitesses
maximales évaluées par Belin er al. (1988).
Vitesse max (m.j') | Vitesse max (m.j)
(Belin er al., 1988)
Source du Bédat 227
Féligonde 400
Grosliers 683 600
Blanzat 643 700
Tableau IV-1 : Vitesses maximales du traceur pour chaque source.
Les sources du Bédat et de Féligonde présentent des vitesses maximales 2 à 3 fois moins
élevées que celles des sources de bouts de coulées présentant des valeurs comprises entre 600
et 700 mj. Ces résultats montrent l’hétérogénéité des propriétés hydrodynamiques des
formations volcaniques du bassin versant d’Argnat.
176 Chapitre IV : Transferts horizontaux au sein du bassin d’Argnat
IV.1.5. Hétérogénéité des circulations : analyse de la forme des courbes de
restitution
La figure IV-3 montre deux formes de courbes de restitution du traceur. Les courbes des
sources d’intercoulées (sources du Bédat et de Féligonde) présentent un faciès globalement
unimodal, avec un pic, une phase ascendante et une phase descendante. Des pics de faibles
amplitudes peuvent apparaître (en particulier pour Féligonde) indiquant que des circulations
auxiliaires, de vitesses et/ou longueur différentes, peuvent se greffer sur un cheminement
principal. Les sources de bout de coulées (Blanzat et Grosliers) présentent plusieurs pics bien
distincts. Leur allure multimodale peut être attribuée à des circulations hétérogènes, animées
par des vitesses différentes selon le cheminement emprunté par le traceur.
1V.1.6. Estimation des paramètres hydrodispersifs
1V.1.6.1. Méthode Single Fracture Dispersion Model (Maloszewski et Zuber, 1985)
L'’estimation des paramètres hydrodispersifs est possible au moyen d'une modélisation
analytique des courbes de restitutions du traceur.
Le transport en trois dimensions d’un traceur idéal (ie. se comportant de la même façon que
les molécules d’eau, comme l'ion iodure), lorsque la circulation d’eau se fait selon une
direction préférentielle parallèle à l'axe des x (dépendante du gradient hydraulique), peut être
décrit selon l'équation de convection-dispersion proposée par Bear (1972) :
Lire 92°C 92°C ac aC =D D D —
dt oem x (équation 19)
où C est la concentration du traceur à l’exutoire, D, est la dispersion longitudinale selon l'axe
x, D,, D, sont les dispersions transversale et verticale, v la vitesse moyenne de l'eau, t
représente le temps.
Les traçages sont fréquemment utilisés pour estimer la part de convection et de dispersion
dans le transport de l’eau dans les aquifères (Bouchet, 1987 ; Thorbjanarson et Mackay,
1997 ; Himmelsbach et al., 1998 ; Reimus et al., 2003).
177 Chapitre IV : Transferts horizontaux au sein du bassin d’Argnat
Dans les milieux fracturés, le modèle Single Fracture Dispersion Model (SFDM) développé
par Maloszewski et Zuber (1985) permet de décrire le comportement hydrodispersif d’une
circulation avec une partie de l’eau considérée comme mobile (dans les fractures) et une
partie immobile (dans la matrice). Dans ce modèle, plusieurs facteurs interviennent. Comme
dans un canal ou dans une conduite, les vitesses dans un pore sont maximales vers le centre
du pore et vont en diminuant vers les parois. A la surface des parois, les vitesses sont nulles.
Cette couche limite correspond, dans le milieu poreux, à l'eau de rétention (Banton et
Bangoy, 1999). Cette répartition à l’intérieur de la porosité engendre une dispersion
longitudinale (allongement du flux de traceur). La dispersion peut être causée par
l'hétérogénéité du milieu. À l'échelle des pores, la dispersion résulte de leur différence
d'ouverture et de longueur. La tortuosité du milieu, c’est à dire la complexité de l'agencement
des pores entre eux, engendre une dispersion transversale importante.
La description des terrains volcaniques de la Chaîne des Puys, constitués de coulées massives
fracturées et de couches scoriacées, et l'observation des courbes de restitutions, impliquant
des circulations préférentielles dans le système, sont autant d'arguments pour utiliser cette
approche. Cette dernière permet de décrire le transport du traceur au moyen d'équations
tenant compte du caractère transmissif des fissures et du rôle potentiel de stockage de la
matrice :
Ciel Ciel 29°C D,acC, 2 on +v x D E- dy ,>8 = 0 pour 0O£y
2. _ D, #C im
d% Rd
=0 pour B
où C et Ci sont respectivement les concentrations en traceur dans la partie mobile et dans la
partie stockée de l’eau, D est le coefficient de dispersion, y la distance perpendiculaire à l’axe
de circulation x. B correspond à la demi-largeur de la zone concernée par l’eau mobile, et v
est la vitesse de l’eau dans ce compartiment. D, est le coefficient de diffusion efficace du
traceur égal à D, F Ty AVEC D, le coefficient de diffusion moléculaire dans l’eau libre et t, la
tortuosité du milieu matriciel. R;, est le facteur de retard qui tient compte de l’adsorption du
traceur dans la matrice ; Rÿ= 1 pour un traceur idéal.
Pour une injection instantanée, la solution analytique à ces équations est :
178 Chapitre IV : Transferts horizontaux au sein du bassin d’Arenat
C(t) = AE jo (te a = | ÉE = (équation 22) ô SS | VECt — Ë)
où & est la variable d’intégration. Les paramètres qui servent à caler le modèle sont : to (temps
de transit moyen de l’eau), a (paramètre de diffusion) et Pe (nombre de Peclet) :
t, = X/v (1) (équation 23)
Pe=vX/D = X/a, (équation 24)
à= n,(DR, ) */@b) (équation 25)
Pour une distance x entre le point d'injection et le point de sortie, la vitesse moyenne de l’eau
et la dispersivité longitudinale a sont obtenues lorsque to et Pe sont définis.
IV.1.6.2. Calage du modèle et détermination des paramètres hydrodispersifs
Compte tenu des faibles concentrations et de l'allure multimodale des courbes de restitutions
à Blanzat et aux Grosliers, le modèle n’a été appliqué qu'aux résultats obtenus aux sources du
Bédat et de Féligonde. Les courbes de calages du modèle SFDM sont reportées sur la figure
IV-4.
179 Chapitre IV : Transferts horizontaux au sein du bassin d'Argnat
45
ral Source du Bédat 35 -
30 -
* Mesures 2
Z 24 —— Calage 4
(] 30 160 240 320
Temps (H)
70
À Féligonde
#0 ; F Mesures
507 = * “Courbe théorique
Sa 4 ————— Calage courbe de base LA
= ——— Catage du pic
gx Een
û 80 160 340 320
Temps Ch)
Figure IV-4 : Courbes théoriques de restitution du traceur calculées à partir du modèle SFDM.
Le calage s’est fait pas à pas, en jouant sur les paramètres a, Pe et to. Pour la courbe de source
du Bédat, ce calage est relativement aisé, compte tenu de la réponse globalement unimodale.
Pour Féligonde, le calage s’est déroulé en deux étapes. La première consiste à caler une
courbe théorique sur le signal de base, c'est-à-dire sur la partie étalée de la courbe. La seconde
étape permet d'identifier les paramètres pouvant décrire le pic observé pendant la phase
ascendante du pic de base. Le couplage des deux modèles permet de proposer une courbe
théorique correspondant à la réponse globale.
Les valeurs numériques des paramètres sont reportées dans le tableau [V-2.
180 Chapitre IV : Transferts horizontaux au sein du bassin d’Argnat
Paramètres
To= 11,83 j
v= 211 mjt
Vernède a= 1,78 m
Pe= 1400
a =0,0148 h/7
Tes 7,06 j
v= 343 mj!
Féligonde (Courbe de base) a= 0,49 m
Pe = 4900
a = 0,0365 h'?
To= 10,83 j
v= 221 mj!
Féligonde (pic) = 26,66 m
Pe= 90
a =0,027h"?
Tableau IV-2 : Valeurs des paramètres hydrodispersifs. Les paramètres utilisés pour le calage des courbes théoriques sont en gras.
Le tableau IV-2 montre des nombres de Peclet élevés pour toutes les circulations considérées.
Le nombre de Peclet représente le rapport de force entre la convection et la dispersion
moléculaire dans le milieu (Banton et Bangoy, 1999). La dispersivité longitudinale calculée à
partir de la courbe théorique de la source du Bédat est de 1,78 m pour 2500 m de trajet entre
le trop-plein d’Argnat et l’exutoire.
La circulation 1 de Féligonde a une dispersivité longitudinale de 0,65 m tandis que la seconde
est de 26,66 m, impliquant une diffusion dans la matrice et une tortuosité plus important. Ce
fait est à mettre en relation avec l’hétérogénéité de la géométrie et donc des paramètres
hydrodynamiques au sein des structures volcaniques : degré d'ouverture des fissures ou des
fractures dans la roche massive, masses scoriacées plus ou moins soudées, modifiant leur
porosité efficace.
L'hétérogénéité verticale (dans un même forage) et horizontale (dans des forages distincts)
des vitesses de circulation dans l’aquifère basaltique a été mise en évidence par Gaubi (1990).
L'injection d'Indium 113 dans les forages W15 et W12 a permis de calculer des vitesses de
Darcy variant de 50 cim.j! à 1500 m.j'. Les résultats de notre traçage ne sont probablement
représentatifs que d’une partie du fonctionnement de l’aquifère correspondant à une
composante rapide des circulations volcaniques,
181 Chapitre IV : Transferts horizontaux au sein du bassin d'Argnat
IV.1.7. Taux de restitution
Le taux de restitution du traceur, estimé par intégration des courbes de restitution et prenant
en compte le débit de chaque exutoire, sur l’ensemble des sources suivies, est de 2%. Cette
valeur faible peut s’expliquer principalement par le fait que toutes les sources du bassin n’ont
pas été suivies, une partie du traceur ayant pu atteindre d’autres exutoires, Par ailleurs, dans
les milieux fracturés, il est fréquent que le taux de restitution n'excèdent pas quelques
pourcents (Himmelsbach et al., 1998). Une partie du traceur peut être piégée dans des zones
de faible conductivité hydraulique (Neretnieks, 1993) ou des zones de nappes perchées. Une
hypothèse similaire fut proposée par Belin et al. (1988) pour expliquer l'échec du traçage
entre le forage C2 et la galerie d’Argnat.
1V.1.8. Conclusions sur le traçage artificiel effectué sur le bassin versant
d’Argnat
Ce test de traçage a permis de mettre en évidence une liaison hydraulique entre le débit
réservé de la galerie d’Argnat et les exutoires des coulées des Grosliers et de Blanzat. Ceci
montre que les deux niveaux de circulations identifiés par les forages de Belin ef al. (1988) ne
sont pas complètement indépendants. Il existe vraisemblablement des phénomènes de
drainance entre les deux niveaux de circulations se produisant dans les fissures verticales des
coulées. Les vitesses de circulations et les paramètres hydrodynamiques calculés (nombre de
Peclet, diffusivité longitudinale) montrent qu'il existe une composante rapide des circulations,
via un réseau de fissures. Le faible taux de restitution observé peut s'expliquer par
l’échantillonnage de seulement 4 émergences du bassin et par l’existence d’une composante
plus lente (mais qui n’a pas été détectée) dans le transfert depuis le goulot d’Argnat vers
l’aval du bassin. Celle-ci pourrait s’expliquer par des circulations dans des zones localisées de
faible conductivité hydraulique (matériaux scoriacés),
182 Chapitre IV : Transferts horizontaux au sein du bassin d’Argnat
IV.2. Idenfifications des mécanismes de recharges au moyen de 60 et SH
Dans un deuxième temps, cette étude spatio-temporelle a été réalisée afin de préciser les
modes d’alimentation et de circulation de l'eau. Cette approche se base sur les prélévements
des 10 sources reportées sur la figure IV-1. La mesure ponctuelle des débits nous a permis de
constater que ces dix émergences correpondent à un débit total de l'ordre de 250 Ls'!. Le débit
du bassin étant de près de 330 1s! en 2006 et 2007 (cf paragraphe I1.3.3), notre approche
permet donc de caractériser près de 75% de la ressource,
IV.2.1. Une alimentation d’origine météorique
Pour connaître l’origine de l’eau de chaque émergence, nous avons reporté les moyennes
pondérées en oxygène-18 et deutérium de chaque source (tableau TV-3) sur la figure [V-5
ainsi que la DMBA (Droite Météorique du Bassin versant d’Argnat) et la DMM (Droite
Météorique Mondiale : Craig, 1961).
5 "O0 (%e) 5 H(%e)
Blanzat -8,3 + 0,3 -56 +2
Argnat -9,1 40,2 -59 +2
Egaule -8.,8 + 0,2 -59+5
Reïlhat captée -8,7 + 0,2 -59 +2
Vernède -8,9 +0,1 -60 +1
Féligonde -8,9 +0,2 -59+2
Malauzat -8,2 +0,1 -56 +3
Vergnes -8,9 + 0,3 -59 +2
Gde source Reiïlhat -8,8 + 0,2 -59 +2
Grosliers (ZS) -8,8 +0,2 -58 +4
Tableau IV-3 : Signatures isotopiques des émergences du bassin d’Argnat.
183 Chapitre IV : Transferts horizontaux au sein du bassin d’Argnat
560 Gé
Elancat
Arenat |
Egaule |
Reilhat captée
Vermède |
Féligonde |
Matauzat |
Gde sce Reilhet |
BH Géo
sos
c+ur
k Grosliers
Figure IV-S : 80 et 8H moyens annuels des sources du bassin d’Argnat. DMBA = Droite Météorique du Bassin d’Argnat, DMM : Droite Météorique Mondiale (Craig, 1961).
Les valeurs moyennes en isotopes stables des eaux sont comprises entre -8,2 et -9,1 5 #O%o et
-56 et -60 5 H%o. Les eaux de sources se positionnent toutes à proximité de la DMM. Ceci
témoigne d’une alimentation par les pluies actuelles (cf. paragraphe TIT.1). Elles se retrouvent
en revanche légèrement au-dessus de la DMBA. Comme mentionné au Chapitre Il, lors de
l'établissement de la droite locale, l’évaporation de la chute des gouttes de pluie entraîne une
diminution de la pente et de l’excès en deutérium. La station de prélèvement de la pluie étant
située en aval du bassin (z = 550 m), ce phénomène peut prendre de l'ampleur à cause de
l'effet de foehn.
Les sources présentent des valeurs regroupées, Blanzat et Malauzat exceptées, et dans une
moindre mesure Reïlhat captée, qui montrent des valeurs plus enrichies. Ces différences
témoignent de l'existence de zones d'alimentation distinctes.
IV.2.2. Estimations de l’altitude moyenne des aires d’alimentation
A partir de la signature isotopique moyenne (&'#O = -8,3%o) de l'infiltration efficace pour
l’ensemble du bassin (Zmoy= 811 m) et du gradient altitudinal de 5!*O pour les précipitations
(0,28 5! *O%/100 m ; Barbaud, 1983), nous avons calculé l'altitude moyenne d'alimentation
pour chaque émergence (tableau IV-4).
184 Chapitre IV : Transferts horizontaux au sein du bassin d’Argnat
Altitude émergence | Altitude alimentation (m)
Egaule 800 990 + 80
Argnat 700 1090 + 60
Féligonde 510 1020 + 80
Vernede 480 1040 + 50
Vergnes 410 1020 + 100
Grosliers 420 980 + 100
Reilhat Gde Sce 510 1000 + 60
Reïlhat captée 490 950 + 70
Blanzat 385 820 + 100
Malauzat 497 780 + 50
Tableau IV-4 : Altitude moyenne d’alimentation pour les sources du bassin d’Argnat.
La signature isotopique moyenne en oxygène-18 du captage d'Egaule est de -8,8 8 0% ; le
calcul de l'altitude moyenne d'alimentation donne une valeur de 990 m. Compte tenu de sa
position (figure IV-1), cette source drainerait donc les coulées situées à l'Est du Puy de
Chaumont et au Sud de l’flot granitique localisé au Nord-Ouest du captage. Le captage
d’Egaule peut donc être considéré comme l'émergence d’un sous bassin du système d’Argnat,
Les altitudes moyennes d'alimentation des autres points échantillonnés sont généralement
situées 300 à 500 m au-dessus du point de prélèvement. Compte tenu de la morphologie du
bassin, des résultats du traçage artificiel et du suivi chimique hebdomadaire de la galerie des
Grosliers (cf chapitre III), nous pouvons conclure qu’une part de l’alimentation passe par le
goulot d’Argnat et provient donc des zones hautes du bassin (ie. les cônes stromboliens),
l’autre partie de l’alimentation étant fournie par les précipitations de basse altitude.
IV.2.3. Gradients altitudinaux en 5 °O des sources du bassin d’Argnat et
influence du contexte géologique sur les alimentations de basse altitude
Les signatures isotopiques des sources (8 O) sont reportées en fonction de l'altitude des
émergences (figure IV-6).
185 Chapitre IV : Transferts horizontaux au sein du bassin d’Argnat
Altitude Cm
300 350 400 450 500 550 600 650 700 750
8.05
35 | Malauzat 8,25 Blanzat
8.45
o 860 = -0.0024z - 7.3138
À 265 R=0.83
Vergn Reilhat Gde sϑ
-8.85 Grosliers Féligonde
|
2.05 8#0= -0.0008z - 8.507 Atgnst R= 0.87 l
9,25 —
Figure IV-6 : Evolutions amont-aval des 8 O des sources du bassin d’Argnat.
Nous pouvons ainsi dégager deux tendances distinctes dans l’évolution isotopique depuis
l’amont vers l'aval.
À partir des sources de la coulée des Grosliers (la Vernède, Féligonde, les Vergnes, les
Grosliers), nous pouvons calculer un gradient altitudinal de l’ordre de -0,01 5 *0%o/ 100 m ;
Les sources de là coulée de Blanzat (Grande source de Reilhat, Reïlhat captée, Blanzat et
Malauzat) présentent un gradient plus élevé de -0,24 5'#0%e/ 100 m, indiquant une influence
plus marquée des pluies de basses altitudes dans cette zone du bassin d’Argnat. Malauzat et
Blanzat présentent les valeurs les plus enrichies (-8,2 et -8,3 5!0%o respectivement)
indiquant une influence encore plus nette des infiltrations de basse altitude. Cet impact a déjà
été observé par Gaubi (1990) dans le forage W17 (figure 1-14) dont l'alimentation est presque
exclusivement locale (5 *O = -7,21 8 *O%). Les teneurs isotopiques des deux émergences de
Reilhat (-8,7 8 #O%o pour le captage et -8,8 80% pour la Grande source) sont conformes à
celles du forage W16 (-8,64 80%).
Le faible gradient -0,08 8 *O%/ 100 m associé à la coulée des Grosliers montre que les
émergences présentent peu de variabilité du point de vue isotopique. Cette absence de
variabilité s’explique à la fois par la structure interne de la coulée, liée à son mode de mise en
place et par la géologie du bassin versant d’Argnat. En effet, la coulée basaltique des
Grosliers est de type pahoehoe (figure IV-7); sa mise en place dans un milieu humide
(thalweg de rivière) a permis la formation d'une couche basale scoriacée (Loock, 2008)
186 Chapitre IV : Transferts horizontaux au sein du bassin d’Argnat
d’origine phréatomagmatique, comme en témoignent la présence d’alluvions à la base de la
coulée (cf. figure 1-17) et les figures de cisaillement en pelure d'oignons révélées au
microscope électronique à balayage. Si cette semelle scoriacée favorise l’écoulement de l’eau
souterraine, le caractère massif et peu fissuré du basalte limite en revanche les infiltrations sur
coulée. Par ailleurs, la coulée des Grosliers est en inversion de relief après la faille de la
Limagne, les infiltrations latérales ne participent pas à l'alimentation des circulations d’eau
souterraine.
La coulée basaltique de Blanzat présente un gradient plus élevé -0,24 8O%c/ 100 m qui
intègre les variations isotopiques des précipitations en fonction de l'altitude. Elle semble donc
fonctionner typiquement comme un aquifère sous-volcanique de la Chaîne des Puys : elle
présente une circulation principale en provenance des cônes stromboliens et est ensuite
alimentée par des apports de basse altitude via les infiltrations latérales ou les infiltrations
directes sur la coulée. La coulée de Blanzat est de type aa (figure IV-7) ; elle est donc très
fissurée et constituée d’un mélange de scories et de roche massive.
187 Chapitre IV : Transferts horizontaux au sein du bassin d’Argnat
=
Coulée de Blanzat : fissuration et porosité
Figure IV-7 : Affleurements des coulées des Grosliers et de Blanzat montrant la différence de porosité.
188 Chapitre IV : Transferts horizontaux au sein du bassin d’Argnat
IV.2.4. Evaluation de la participation des infiltrations de basse altitude
La figure IV-8 montre la distribution spatiale des teneurs en oxygène-18 sur le bassin
d’Argnat.
où Limagne
moyenne 8#O(2
@ 21% ® 59% ® 33%
© 87% © 823% ®-82 %)
-- Limites du bassin 4 =
Figure IV-8 : Distribution spatiale des teneurs en oxygène-18 sur le bassin d’Argnat (avril 2006-avril
2007).
Le schéma d’alimentation des circulations dans les coulées des Grosliers et de Blanzat étant
ébauché, nous avons tenté d’estimer la part des infiltrations de basse altitude pour chaque
émergence. À partir de l’altitude de recharge calculée pour Argnat (1090 m), nous avons
estimé la teneur en oxygène-18 de l’eau provenant des cônes stromboliens : 8 #0%o = -9,1%o.
Les infiltrations latérales sont liées au ruissellement sur les parties imperméables du bassin
(ie. le substratum cristallin, en violet sur la figure IV-8) ou sédimentaire (en rose pâle sur la
figure IV-8). L’altitude moyenne des zones de socle à partir desquelles peuvent se produire
ces infiltrations latérales est de 625 m. Les infiltrations sur la coulée des Grosliers sont
négligées compte tenu des résultats du chapitre III : les faibles venues d’eau en provenance de
la ZNS et la signature chimique de celles-ci sont des arguments en faveur d’une alimentation
beaucoup plus significative par les infiltrations au contact socle/ coulée. Nous considérerons
donc que les infiltrations sur coulées n’intéressent que la coulée de Blanzat, dont l’altitude
moyenne est de 500 m après la faille de Limagne. Le substratum sédimentaire, d’altitude
189 Chapitre IV : Transferts horizontaux au sein du bassin d’Argnat
moyenne de 400 m. peut également intervenir dans l'alimentation de la coulée de Blanzat :
cette alimentation est ajoutée aux infiltrations directes sur la coulée de Blanzat.
A partir de ces altitudes moyennes, du gradient isotopique des précipitations et des valeurs de
l'infiltration efficace, nous avons calculé la teneur isotopique de ces différents apports
(tableau IV-5).
8 FO (%) | Altitude
Goulot d’Argnat -9,1
Alimentations latérales -7,7 625 m
Infiltrations sur la coulée de Blanzat -7,4 500 m
Tableau IV-5 : Signatures isotopiques des différentes alimentations.
A partir du calcul suivant, nous pouvons donc estimer la participation des alimentations de
basse altitude pour chaque émergence.
9;= 9, LE 9, (équation 25)
6"0, *@, =6"0, * 9, +6"0,, * d, (équation 26)
d'où O,,/Q,=(6"0, -8"0,)/(6"0,, -6"O,) (équation 27)
Avec Q= débit ; g = goulot d’Argnat ; ba = alimentation de basse altitude : s = source
Les résultats sont reportés dans le tableau IV-6.
% Alimentations | % Alimentations | % Alimentations
basse altitude basses altitudes goulot
(625 m) (500 m)
Féligonde 12% 88%
Vernède 9% 91%
Vergnes 13% 87%
Grosliers 19% 81%
GS. Reilhat 15% 85%
Reilhat captée 22% 78%
Blanzat 45% 55%
Malauzat 51% 49%
Tableau IV-6 : Participation des alimentations de basse et haute altitudes dans les sources du bassin
d’Argnat.
190 Chapitre IV : Transferts horizontaux au sein du bassin d’Argnat
L'alimentation des sources de la coulée des Grosliers est donc principalement due à l’eau
circulant au niveau du goulot d’Argnat. Les eaux souterraines de la coulée de Blanzat sont
d'avantage tributaires des infiltrations de basse altitude, en particulier Malauzat et Blanzat
pour lesquelles près de la moitié de l’eau provient de cette composante de l'alimentation.
Ces différentes observations permettent de mettre en relief le rôle majeur du contexte
géologique sur la signature isotopique des eaux du bassin d’Argnat. Le degré d'ouverture des
matériaux volcaniques peut tamponner ou accentuer le rôle des infiltrations sur coulée. Par
conséquent, l’étude des caractéristiques physico-chimiques et de la signature chimique des
eaux souterraines du bassin devrait nous permettre d'évaluer l'impact de ces infiltrations et de
préciser le fonctionnement hydrodynamique des deux axes de circulations.
IV.3. Influence des alimentations de basse altitude sur la géochimie des eaux
1V.3.1. Caractérisation physico-chimique des eaux souterraines
La détermination de la typologie chimique des eaux du système d’Argnat a été réalisée à
partir d’une campagne de mesures mensuelles de décembre 2005 à juin 2007. Les statistiques
calculées pour chaque source sont reportées dans le tableau IV-7.
191 Chapitre IV : Transferts horizontaux au sein du bassin d’Argnat
Les températures mesurées (Annexes I) sont comprises entre 7,9°C (Egaule, janvier 2006) et
12,5°C (Blanzat, septembre 2006). Les valeurs moyennes se répartissent entre 8,6 + 0,1°C
(Argnat) et 11,68 + 0,63 °C (Blanzat). Il y a donc une faible variabilité spatiale de la
température au cours de la période de mesure à l'échelle du bassin.
La figure IV-9 montre les gradients altitudinaux pour les coulées de Blanzat et des Grosliers.
130
113 1
Axe Nord
T°C = -0.0096 z+ 15322
110 7
105 5
£ 100
95 4
90
85
8.0 T T T
300 400 300 600 700
altitude Cr)
1 : Atgnat 2: Féligonde 3: Vemède 4: Groshiers 5: Vergnes
6 : Gde Sce Reïhat 7 : Malauzat 8 : Reilhat captée 9 : Blanzat
Figure IV-9 : Gradients altitudinaux de la température moyenne des sources du bassin d’Argnat.
La droite de régression pour la coulée des Grosliers donne un gradient de -0,53°C/ 100 m (R =
0,95), celle de la coulée de Blanzat un gradient de -0,96°C/ 100 m (R = 0,99). Cette
atténuation des variations de température pour la coulée des Grosliers par rapport à celle de
Blanzat peut être liée à plusieurs facteurs qui interagissent : 1) la profondeur plus importante
de l’aquifère des Grosliers (cf. figure I-15), 2) une circulation plus rapide entre le goulot et la
coulée des Grosliers (Gaubi, 1990 ; Blavoux, 1990), une participation moins importante des
alimentations de basse altitude (cf. Paragraphe IV.2.4).
Les eaux du bassin d’Argnat sont globalement peu minéralisées comme le montrent les
moyennes des conductivités électriques. Celles-ci sont généralement comprises entre 134 et
307 uS.cm' pour la majorité des sources,exceptées les émergences de Blanzat et Malauzat
qui présentent des conductivités plus élevées : EC pranzar = 404 uS.em! ; EC Maïauzat = 420
uS.cm!.
193 Chapitre IV : Transferts horizontaux au sein du bassin d'Argnat
Le pH des eaux du bassin est compris entre 6,3 et 8,3, avec une moyenne de 7,1 + 0,2.
Ces valeurs sont comparables aux données de la littérature sur les eaux drainant les roches
volcaniques de la Chaîne des Puys ou d’autres aquifères basaltiques dans le monde (tableau
IV-8).
"Ds pH Référence
Galerie de Louchadière 102 7,3 | Barbaud, 1983
Moyennes bassin de Volvic 225 7,1 | Joux, 2002
Moyenne archipel des Açores 188,9 7,01 5 A Ft Aparal, Moyenne basaltes du bassin d’Akaki 569.2 8 Demlie et al. (Æthiopie) è 2007 Gamme de valeurs basalte de ÿ 6,2- :
Skamania County (U.S.A.) 12120? 8,8 Hinide, 1996
Tableau 1V-8 : Données de pH et de conductivité électrique des eaux de la Chaîne des Puys et d’autres aquifères basaltiques dans le monde.
La relative stabilité des paramètres physico-chimiques des eaux souterraines circulant dans les
milieux silicatés s'explique principalement par l’altération des plagioclases, qui tamponne le
pH, par consommation des protons fournis par dissolution du COz. Compte tenu de la mise en
solution plus facile du pôle calcique des plagioclases (cf. figure IIT-10) la dissolution de
l’encaissant est limitée lorsque l’eau atteint la saturation pour la calcite ; la précipitation de la
calcite induit une libération de protons dans le milieu. Ces différents mécanismes tamponnent
le pH et limitent la gamme d’évolution de la minéralisation (Frengstad et Banks, 2007).
La figure IV-10 présente le diagramme Piper établi, pour les eaux du bassin versant d’Argnat, à
partir des données moyennes sur la période d’étude.
194 Chapitre IV : Transferts horizontaux au sein du bassin d’Argnat
1ü0
CHNO3
1: Egaule 2: Argnat 3: Féligonde 4: Vernède 5: Grosliers 6 : Vergnes
7: Grande Source Reilhat 8: Reilhatcaptée 9 : Blanzat 10 : Malauzat
Figure IV-10 : Diagramme Piper pour les eaux du bassin d’Argnat.
Le diagramme Piper montre une évolution du faciès chimique des eaux du bassin de l’amont
vers l’aval : les eaux passent d’un faciès bicarbonaté calcique à un faciès chloruré-nitraté
calcique. Une évolution similaire a été mise en évidence par Barbaud (1983) pour les eaux du
bassin d’Argnat et Joux (2002) pour les eaux du bassin de Volvic.
Si on n’observe généralement pas de cations dominants, les eaux de Blanzat et Egaule sont
cependant très légèrement décalées vers le pôle calcique. Chatonier (1957), lors d’une étude
comparative entre la chimie des eaux et celle des roches dans la Chaîne des Puys, a mis en
évidence les critères hydrochimiques propres à chaque type de formation géologique. Ainsi,
dans les formations basaltiques, les proportions en Ca*, Mg”* et Na° sont très voisines (K*
195 Chapitre IV : Transferts horizontaux au sein du bassin d’Argnat
restant minoritaire). Ceci est dû à la co-existence de phases porteuses de ces éléments, mais
également au fait que le basalte se présente essentiellement sous forme vitreuse, forme plus
facilement altérable qu’une roche de même composition mais dont les minéraux ont eut le
temps de cristalliser (Gislason et Eugster, 1987 : White et Hochella, 1992). Les eaux de socle
sont quant à elles dominées par le calcium, qui est plus facilement mis en solution que le
magnésium ou le sodium ; le potassium est presque inexistant. Dans ce contexte, l'influence
plus marquée du pôle calcique pour Egaule est cohérente avec une aire d’alimentation
comprenant le promontoire granitique au Nord-Ouest du captage (cf. Paragraphe IV.2.2).
IV.3.2. Identification des mécanismes contrôlant la chimie des eaux du bassin
d’Argnat
Afin d'identifier les paramètres contrôlant la chimie des eaux du bassin d’Argnat, une analyse
en composante principale (figure IV-11) a été réalisée à partir de l’ensemble des mesures
mensuelles réalisées sur le bassin d’Argnat (160 analyses).
#T il 8
075 NN 3 | Argnët, Féligonde, Vemède,
*e Exogènes / Vergnes, Crosiers,
05 à! 2 | GS. Reilhat Metsuzat
& S $ 025
ë Lo E° s 0 es & 0! + XX
a Mg Pa e : 5 ilhat captée ë 25 | Altération F$ ji . P
NS
-075 K, ÿ 7 E
gi
4 07505025 0 025 0.5 075 1 A, 40% AU Ov 2 cÉ d'A à
F1 (80,80 %) F1 (8080 %)
Figure IV-11 : Analyse en composante principale ; A) diagramme des paramètres contrôlant la
minéralisation ; B) diagramme des individus.
Les deux premiers axes explicitent 91% de la variance totale et permettent de dégager deux
tendances assez nettes.
196 Chapitre IV : Transferts horizontaux au sein du bassin d’Argnat
Le premier axe F1 (80,8% de la variance) est significativement lié à la minéralisation globale
de l’eau ; tous les éléments se placent dans la même partie du cercle de correlation. Cela
témoigne d’une augmentation concomittante des apports liés à la dissolution de l'encaissant et
des apports exogènes. Ces deux pôles sont faiblement discriminés par l'axe F2 qui explique
seulement 10,7% de la variance, Le diagramme A de la figure IV-11 montre que Na° est
associé aux exogènes, alors que les sulfates semblent davantage liés aux éléments issus de
l’altération. Ceci démontre que le contexte géologique et environnemental du bassin n’est pas
homogène et que certaines sources voient leur chimie évoluer différemment selon le parcours
de l’eau qui les alimente. Le diagramme des individus permet de discriminer 4 groupes : 1)
Egaule est la source la moins influencée par les axes F1 et F2, ce qui est cohérent avec son
positionnement en amont du bassin, impliquant un contexte environnemental préservé et une
proximité avec l’aire de recharge de la circulation ; 2) les émergences de Reilhat captée et
Blanzat sont d'avantage influencées par l'axe F1 ; 3) le captage de Malauzat est positionné le
long de l’axe F2 ; 4) Argnat, les émergences de la coulée des Grosliers et la Grande Source de
Reilhat constituent une évolution intermédiaire de la chimie des eaux.
Ces deux derniers groupes montrent, comme les signatures en oxygène-18 (cf. paragraphe
IV.23), qu’il y a une divergence au sein de la coulée de Blanzat : le lavoir de Blanzat est
marqué par une minéralisation carbonatée cohérente avec le décalage vers le pôle calcique
(figure IV-10), Malauzat est influencé par les chlorures, le sodium et le potassium.
La dichotomie entre les appotts exogènes et la minéralisation due à la dissolution a déjà été
mise en évidence lors de la caractérisation des trajets ZNS/ ZS. Nous pouvons ici constater
qu’elle est discernable du point de vue spatial, depuis l’amont vers l’aval.
IV.3.3. Evolution des apports exogènes le long d’une ligne de courant
L'évolution de la composition chimique en éléments exogènes de l'amont vers laval du
bassin est présentée sur la figure IV-12.
197 Chapitre IV : Transferts horizontaux au sein du bassin d’Argnat
s00
#00
700
é00
300 -
400
300
200 À Coulée dés
100 À Grosliets
Altitude Cr)
.
Malauzat
|
|
ul 10 20 EU 40 50 60
CT mg/l
800 | Egautee
Malausat
N Reilhat c. +
GE.
Reilhat Altitude Ci
ë o
Elanzat
200 Coulée des
100 Grosliers
0 - 7 T T u 7 d
ul 5 il 15 20 25 30 35
NO (mg)
g00
800
700 |
é00
300 :
400
300
300 7
100
ü T T T 7 L
û 5 io 15 20 25
80 mg
Altitude Cm
Coulée des
Grosliers
Figure IV-12 : Evolution amont-aval des teneurs moyennes en CT, NO;, SO.
198 Chapitre IV : Transferts horizontaux au sein du bassin d’Argnat
Les eaux de la coulée des Grosliers montrent une augmentation des éléments exogènes depuis
le goulot d'Argnat ; elle s’attenue après la faille de la Limagne, indiquant la faible influence
des alimentations latérales après celle-ci.
L'évolution des concentrations en éléments exogènes est plus clairement marquée pour la
coulée de Blanzat. On observe ainsi une nette augmentation des chlorures au lavoir de Blanzat
et au captage de Malauzat qui pourrait être le fait du contexte urbanisé et de la proximité des
axes routiers. L'augmentation des nitrates affecte la Grande Source de Reilhat, Reïlhat captée,
Blanzat et Malauzat ; les teneurs très hétérogènes montrent une influence locale à l'échelle de
la source. Pour les deux émergences de Reiïlhat, la proximité de champs cultivés et de vergers
privés implique l’utilisation d'engrais qui sont lessivés localement et qui sont susceptibles
d’être acheminés par le transit en zone non saturée. L'augmentation des sulfates à Reilhat
captée, Malauzat et Blanzat peut provenir des produits phystosanitaires utilisés dans
l’agriculture, mais pourrait également être due à la dissolution de gypse potentiellement
présent dans le substratum sédimentaire sous-jacent (cf. paragraphe 1.3.1).
L'analyse de la corrélation entre calcium et sulfates nous indique que cet élément ne peut
provenir significativement de la dissolution de gypse que pour le lavoir de Blanzat (figure IV-
13). Dans ce cas, les sulfates n’ont plus une origine exogène mais sont liés à la géologie
locale ; cette observation est cohérente avec les résultats de l'ACP qui montre une association
S0,77 éléments issus de l’altération (figure IV-11).
0.60
m5" SO= 0433 Cu*+01026 à 9.50 + î
2 0.454 R=05% “#4
0.40 d su
ÿ 08% Hlanzat 2 0.30 4
À 0254
0.20 4
0151 Sue S Hisiurét
0.10 " ;
0.30 0.40 Ü.60 Ü.30 1.00
Cat (mmol)
mmal
©
Figure IV-13 : Ca! vs S0,7 à Blanzat, Malauzat et Reilhat captée.
Les augmentations de concentrations peuvent être liées aux infiltrations directement sur la
coulée, dans sa partie avale ou aux infiltrations latérales au contact socle/coulée.
199 Chapitre IV : Transferts horizontaux au sein du bassin d’Argnat
Afin de connaître l'importance de l'alimentation latérale, nous avons réalisé deux
prélévements ponctuels de ruissellement sur le socle : le premier à Fontvieille localisé en aval
de la galerie d’Argnat et le second le long de la D943 (figure IV-1). Le prélèvement de
Fontvieille, a été effectué le 23/8/07. Le deuxième prélèvement a été réalisé le 8/2/07 et fait
suite à une période marquée par de nombreux épisodes de précipitations (53,6 mm sont
tombés entre le 1/1/07 et le 8/2/07, majoritairement sous forme de neige). Les analyses en
majeurs de ces deux échantillons sont reportées dans le tableau IV-9.
CE =: e E 2. + + g+ 2 2 (Sem) pH HCO;ÿ CT NO; SOS Na NH K° Mg” Ca
Fontvieille 23/8/07 261 6,5 79,3 25,52 5,92 9,70 18,03 0,00 3,96 10,14 21,67
RD 943
8/2/07 131 6,8 31,7 22,93 1,40 4,40 16,20 2,05 0,93 2,27 8,67
Tableau [V-9 : Concentrations (en mel!) et paramètres physico-chimiques des eaux de ruissellement
prélevées sur le bassin d’Argnat.
On note que les concentrations en chlorures des eaux de ruissellement sont élevées
(respectivement 25,5 mel! et 22,9 mg.l' pour Fontvieille et la RD 943) par rapport aux
concentrations de la galerie d’Argnat (14,1 + 0,4 mg/l). Cette observation permet de
confirmer l'influence des apports latéraux en éléments exogènes. En revanche, les
concentrations en nitrates et sulfates des eaux de ruissellement sont inférieures à celles des
eaux souterraines. Une minéralisation des espèces organiques par la population microbienne
de l'eau et du sol, conduisant à une augmentation des concentrations en nitrates et sulfates,
peut cependant intervenir pendant le cheminement de l’eau jusqu’au fond des thalwegs (cf.
chapitre IID.
200 Chapitre IV : Transferts horizontaux au sein du bassin d’Argnat
IV.3.4. Evolution des éléments liés à la dissolution de l’encaissant
Les évolutions amont-aval pour les éléments liés à l’altération sont reportées sur les figures
IV-14 et IV-17,
so0
= ER So
a 5
8
a
©
Altitude Cm)
ë a
=
ho
Lo
=
ÈS
Son
Egaule *
Malsuzat
+
* Reïfa Fe
Blanzat Ed Coulée des
Grosliers
=
io 15 2 35
Na (mg
éo0 -
Altitude (ui)
mn E
Egaule
400 +
300 + Caulée de | 300 Grashers |
100 + |
] T T T T T T 1
î 2 4 ä 8 10 12 14
E* (mel
Figure IV-14 : Evolution amont-aval des teneurs moyennes en Na‘ et K*.
La figure IV-14 montre une évolution amont-aval, les teneurs les plus élevées en sodium étant
observées à Blanzat et Malauzat. Ce dernier captage est également caractérisé par une plus
forte influence du potassium, Na* et K* peuvent à la fois provenir de l’hydrolyse des Pi
minéraux de la roche encaissante et du lessivage des sols agricoles et des axes routiers, ce qui
peut également expliquer les plus fortes concentrations en chlorures pour ces émergences.
201 Chapitre IV : Transferts horizontaux au sein du bassin d’Argnat
La figure IV-15 montre la relations Na‘/C[ dans les sources et la pluie du bassin d'Argnat. Ce
rapport est de 0,59 dans les eaux de pluies, proche de celui l’eau de mer, confirmant ainsi
l’origine marine des apports météoriques de sodium et de chlorure (Taylor et McLennan,
1985).
30
25
20
È É 15
10 e
AT Na*= 0.59Ct - 01079
A arte à > LE, r À ul 19 20 30 40 50 éû CHmell + Egaule 2 Érgnst 4 Féligonde
# Malauzat * Reilhat captée # Vernède
= Vergnes 7 Elansat — Pluie Sayrat
Grande Source de Reilhat
Figure IV-15 : Relation Na*/CT dans les eaux du bassin d’Argnat ; le rapport de l’eau de pluie se base sur les analyses chimiques des précipitations échantillonnées à Sayat.
Les concentrations en Na* et CT des eaux souterraines sont plus élevées que celles de la pluie.
Les sources placées au-dessus de la droite (toutes sauf Malauzat) sont donc influencées par
des apports de chlorures anthropiques qui sont compensés par la dissolution des plagioclases
de l’encaissant (Cruz et Amaral, 2004). Malauzat montre en revanche un enrichissement plus
important en CT. La présence de zones de cultures et d'élevage et la proximité du village de
Malauzat peuvent impliquer la dissolution de KCI, ce qui serait cohérent avec les fortes
concentrations en potassium. La corrélation médiocre entre CI et K* (figure IV-16) pourrait
être due à une origine multiple des chlorures.
202 Chapitre IV : Transferts horizontaux au sein du bassin d'Argnat
»_ Blanzat ESS
8%) KŸ=017C1+ 429 * x £. Malauzat “4 10 K°=0.20Ct+ 7.13 R=0.59
5
0 +
c 10 20 30 40 0 8
CT(mg/l)
+ Egaule 8 Argnat 4 Féligonde
* Malauzat * Reilhat captée ® Vernède
+ Vergnes - Blanzat Grande Source de Reilhat
Figure IV-16 : Relation K*/CT dans les eaux du bassin d’Argnat.
L'évolution amont-aval des teneurs en Ca, Mg” et HCO: (figure IV-17) montre que les
eaux de la coulée des Grosliers sont très proches de celles retrouvées à Argnat, contrairement
aux eaux de la coulée de Blanzat qui continuent à évoluer. La coulée des Grosliers est
caractérisée par des alimentations de basse altitude qui apportent essentiellement des éléments
exogènes ; leurs influences diminuent après la faille de limagne. Les alimentations de basse
altitude alimentant en partie la coulée de Blanzat apportent à la fois des éléments exogènes et
des éléments liés à l’altération.
Dans la coulée des Grosliers, les mécanismes d’altération semblent donc ne plus entrer en jeu
après le passage de l’eau dans le goulot d’Argnat. Ceci pourrait s’expliquer soit
- par un transit plus rapide entre le goulot d’Argnat et les émergences de la coulée des
Grosliers, qu'entre Argnat et la coulée de Blanzat ; plus la vitesse de l’eau est
importante, moins l’altération est rapide (Freeze et Cherry, 1979) :
- par la sursaturation de l’eau en minéraux tel que la calcite, la dolomite, ou des
minéraux silicatés de l’encaissant (Appelo et Postma, 1994).
203 Chapitre IV : Transferts horizontaux au sein du bassin d'Argnat
g0û - —
&00 + Egaule +
700 4 zgnst
à Fe ] DÉC
£ 40 - Le k SRE # Hlenzat
200 C'oulée des
100 - Grosliers
ù
mn 5 in 15 20 25 30 35
Ca ri
900
&00 + Eganle + Argnat 704 7 nt |
€ 600 + $Reilhat Malausat
8 207 E + = + à ao d Le Reilhst co É 300 À > Elanzat ñ ’ 200 + Coulée des
100 + Grosliers
û 7 r
Ce] 5 19 15 20
Mg Gogfl)
900
go0û + - 700 À Egaute Argnat
E 60 - GERE Æ 500 + Carte + Ma £
5 400 - FaspReïlhat ©. &
< 300 - Elanzat
200 — Coulée des
100 Grosliers
0
(el 20 40 60 80 100 120 140 160
HODE Gragil)
Figure 1V-17 : Evolution amont-aval des teneurs moyennes en Ca*, Mg” et HCO;.
Les indices de saturation (figure IV-18), calculés sans restriction sur la nature des roches
encaissantes, montrent que toutes les eaux sont sous-saturées en minéraux carbonatés. La
précipitation de ces éléments ne peut donc pas être évoquée pour expliquer la stabilité des
concentrations entre le goulot d’Argnat et ces émergences.
204 Chapitre IV : Transferts horizontaux au sein du bassin d’Argnat
Chalcedony Gypsum Quartz CO2(8) Dolomite
| Si02(amorphe) Anhydrité Aragonite
ÿ
2
£
E
5 Egaule # Argnat O Féligonde D Vernède |
-S 7 B Vergnes D Reilhat Grande Source | BBlanzat D Reïlhat captée 8 Malauzat O Grosliers
Figure IV-18 : Indices de saturation des polymorphes de la silice, des minéraux carbonatés,du gypse et du CO.
Nous pouvons noter cependant une légère sur-saturation des eaux en quartz et calcédoine. Ce
fait est couramment observé dans les eaux au contact des roches cristallines (Bourrié, 1978 ;
Gal, 2005 ; Karakaya et al., 2007). Selon Henin et al. (1968), cette sursaturation est due à des
facteurs cinétiques, la précipitation de la silice étant trop lente par rapport à l'hydrolyse des
silicates, ce qui autorise son maintien en solution.
Pour les aluminosilicates, en l’absence de dosage de l’aluminium, il est possible d'utiliser des
diagrammes d’équilibres avec les phases reconnues dans le milieu dans lequel circule l’eau
(figure IV-19), Les minéraux qui ont été choisis pour identifier les phases à l'équilibre sont
classiquement reportés dans la littérature comme étant potentiellement présents après
altération des silicates : albite, anorthite, feldspath potassique et pyroxènes (Bourrié, 1978 ;
Appelo et Postma, 1993 ; Joux, 2002 ; Guler et Thyne, 2004 ; Gal, 2005).
205 Chapitre IV : Transferts horizontaux au sein du bassin d’Argnat
Log NasH®
Log Mg=+/Hs?
12
Dibbsta
Figure IV-19 : Diagrammes de stabilité des minéraux silicatés des eaux du bassin d’Argnat.
Diagramme de Korjski à 25 “C.
À proies
À pointe
be
5 ‘ 4 3 1 n
Log H4SI04 Log K+IH+-
Diagramme de Koriinski à 25 *©
cherie
kaginite
# fins
3 Vonete
à
ont
mn 4 2 s o
Log H4SiO4
Sn LogKtH+=4
LogKeHe
gbbsite
Log Cas+/He
gibbaite
10
Diagramme de Korinski à 25 °C
FeldspaihK
Kaoïrite
Log H4SiO4
Log Nas/He=+
Diagramme de Korinski à 25
Kaolnits
3 2
Log H#Si04
Ca-Ment
+ û
Log Ke/Hi=4
Ces diagrammes indiquent un équilibre des eaux du bassin d’Argnat avec la kaolinite, minéral
secondaire de l’altération des silicates (cf. paragraphe TIL.3.1).
Par conséquent, la sur-saturation en minéraux de l’encaissant n’étant pas démontrée, le transit
rapide de l’eau est l’hypothèse la plus probable pour expliquer l'évolution négligeable des
concentrations en éléments de l’encaissant, entre le goulot et les émergences de la coulée des
Grosliers,
Dans la coulée de Blanzat, l'augmentation de la minéralisation en exogènes et en éléments
liés à la dissolution de l’encaissant peut être liée à :
206 Chapitre IV : Transferts horizontaux au sein du bassin d’Arenat
- un temps de séjour de l’eau plus long dans l’aquifère ;
- des infiltrations sur coulées riches en éléments d’altération et en éléments exogènes.
Les résultats du traçage artificiel tendent à montrer un fonctionnement hydrodynamique
similaire des zones saturées des coulées de Blanzat et dés Grosliers, les vitesses de
circulations étant du même ordre de grandeur (cf. paragraphe IV.1). L'évolution significative
des concentrations en éléments de l’encaissant, de l’amont vers l’aval serait donc
essentiellement le fait d’apports via la ZNS.
Comme mentionné au paragraphe IV.2.4, les mesures isotopiques réalisées par Gaubi (1990)
montrent une alimentation presque exclusivement locale pour certains forages de la coulée de
Blanzat. C'est le cas du forage W17, localisé non loin de Malauzat (cf. figure [-14), pour
lequel Gaubi (1990) mesure des concentrations plus élevées que celles dés eaux de sources
avoisinnantes ([HCO:] = 261,7 mg.l!, [Ca] = 32 mel!, [Me*] = 30,3 mel", [Na‘] = 17,2
mel, [K*] = 2,7 mel!, [CI] = 9,9 mgl!, [NO:1 = 11,8 mg, [SO] = 8,2 mel). Ces
zones localisées dans l’aquifère peuvent donc intervenir très significativement dans
l'alimentation des eaux de la coulée de Blanzat.
L'analyse détaillée de la figure IV-19 permet par ailleurs de retrouver une évolution globale
de l’amont vers l’aval. Egaule, Argnat et la Vernède sont proches de l'équilibre avec la
gibbsite caractéristique d’une faible interaction eau-roche (Berner et Berner, 1987). Les points
les plus évolués, ie. les plus proches d’un équilibre avec la roche encaissante, sont Malauzat
et Reïlhat captée. Leurs concentrations élevées en Ca et Mg” peuvent s'expliquer par une
interaction plus grande avec les silicates en cohérence avec un apport d'eau via la ZNS de la
coulée volcanique. Blanzat présente en revanche une signature intermédiaire, indiquant une
interaction moins marquée avec les silicates. Pour cette émergence, les fortes concentrations
en Mg” et Ca et bicarbonates peuvent donc provenir d’une interaction plus grande avec le
milieu sédimentaire carbonatée de la Limagne. Ceci serait cohérent avec l'hypothèse d’une
origine sédimentaire des sulfates. La campagne de mesure de janvier 2008 destinée à mesurer
les rapports en strontium (sr/ Sr) des eaux du bassin d'Argnat a permis d’obtenir les
résultats suivants (tableau IV-10).
207 Chapitre IV : Transferts horizontaux au sein du bassin d’Argnat
Sr Sr
Egaule 0,70708
Argnat 0,70762
Vernède 0,70729
Féligonde 0,70719
Vergnes 0,70752
Grosliers (ZS) 0,70737
GS. Reilhat 0,70738
Malauzat 0,70725
Blanzat 0,70955
Tableau IV-10 : Rapports isotopiques ‘’Sr/ %Sr dans les eaux du bassin d’Argnat.
La composition isotopique de strontium des roches volcaniques de la Chaîne des Puys varie
de 0,703 à 0,704 (Chauvel et Jahn, 1984). Classiquement, les eaux circulant dans ces
matériaux acquièrent une signature proche de cette valeur (Steinmann et Stille, 2006).
Cependant, plusieurs apports peuvent considérablement modifier la signature de l’eau
volcanique souterraine :
- les apports atmosphèriques (Petelet-Giraud ef al., 2003). Localement les précipitations
présentent une signature comprise entre 0,709 et 0,711 (Negrel et Roy, 1998) reflétant
l'influence du spray océanique plus où moins modifié par des apports terrigènes ;
- les apports par les fertilisants liés à l’activité agricole (Negrel, 1999 ; Petelet-Giraud et
al, 2003). Le rapport isotopique caractéristique de ces derniers est de l’ordre de
0,7087 (Negrel et al., 2001) ;
- Les apports d’eau ayant circulé au contact du socle hercynien, dont le rapport varie de
0,718 à 0,732 (Pin, 1989). La concentration en strontium dans ces roches est proche
des concentrations retrouvées dans les basaltes ;
- Les apports d’eau ayant circulé au contact de matériaux sédimentaires. Briot et
Poidevin (1998) indiquent que les sédiments oligocènes de Limagne présentent des
rapports de strontium compris entre 0,713 et 0,715.
Les rapports isotopiques des points de prélèvements sont très homogènes et relèvent
probablement d'un mélange entre des eaux ayant circulé dans les basaltes et des eaux ayant
208 Chapitre IV : Transferts horizontaux au sein du bassin d’Argnat
cireulé au contact du substratum cristallin. Le lavoir de Blanzat présente un rapport de
strontium plus élevé : #7Sr/ %$r = 0,70954. Ce rapport serait en accord avec un mode
d'alimentation incluant des apports d'eau en provenance du promontoire sédimentaire
surplombant le village et confirme ainsi les hypothèses émises à partir de la chimie des
majeurs.
IV.4. Variabilité de l’origine du CO; sur le bassin d’Argnat
IV.4.1. Hétérogénéité des signatures en carbone-13 à l'échelle du bassin
Dans le tableau IV-11 sont reportées les signatures isotopiques en carbone-13, les valeurs de
pH et la répartition moyenne des espèces carbonées des émergences du bassin d’Argnat. La
galerie d’Argnat présente les valeurs les plus élevées avec un 8 Ccrrn moyen de -9,4%e,
Egaule est caractérisé par les valeurs les plus négatives avec un 8 Cor moyen de -17,5%o.
Les points de prélèvements localisés à l’aval du bassin (Féligonde, Malauzat, Grande Source
de Reilhat, Reïlhat captée, la Vernède, les Vergnes et lavoir de Blanzat) ont des valeurs
intermédiaires.
5Ccrm pH pCO(atm) H2CO; CO HCO;
Egaule -17,5 6,89 6,4E-03 0,34 O,01 0,86
Argnat 94 6,64 1,6E-02 0,89 0,01 1,33
Féligonde -145 7,15 5,0E-03 0,27 0,03 1,32
Malauzat 160 7,06 8,4E-03 0,45 0,04 1,67
GS. Reilhat | -14,3 6,95 8,6E-03 0,47 0,03 1,35
Reilhat 15,1 7,07 6,9E-03 0,36 0,04 1,30
Vernède 11,5 6,81 1,1E-02 0,58 0,02 1,25
Vergnes 114 7,14 5,6E-03 0,30 0,04 1,43
Blanzat -147 7,00 1,3E-02 0,68 0,05 2,47 Grosliers -12,5 7,07 8,3E-03 0,28 0,00 1,39
Tableau IV-11 : Valeurs moyennes (avril 2006-avril 2007) du à “Corp et de la minéralisation carbonée pour les émergences du bassin d’Argnat.
Compte tenu de cette variabilité, il est important de prendre en compte le fractionnement
isotopique pour discriminer les différentes sources de CO. Nous pouvons, à l’aide de
simples calculs thermodynamiques de fractionnement isotopique (équation 17, chapitre TI),
évaluer quel est le signal isotopique de la source de CO» intervenant pour chaque exutoire.
209 Chapitre IV : Transferts horizontaux au sein du bassin d’Argnat
IV.4.2. Hétérogénéité des signatures du CO: à l'échelle du bassin
Les graphiques de la figure IV-20 montrent l'évolution du 8/*Cco2 pour chaque source du
bassin d’Argnat. Les points compris dans la zone en gris clair sont caractéristiques d’une
signature biogénique (entre -23 et -19 5 C%o). Au-delà de cette zone, l'hypothèse d’une
source supplémentaire de CO) pourra être évoquée.
210 Argnat | Vernède
Lorie Lo-a8
LO-sæu | ; LOrSEUr | :
Lou | LOF | Lo-auel | Lo-auer |
90-39p cop |
9û0-AOU ] 9O-AOÛ [ |
90-po | 90-10 ]
90-jdes | 90-1des
90-108 | | 90-08 [ |
90-tnf | go-n£ |
90-uinf | | 90-unf ]
90-Teur 90-Teu
90-148 | | 90-18 |
TT
29
1
Sa UE SU d 878 a RE HÉSSAS 35 : ren
(96) s9mos 1229,,9 (006)somos 1039 ; : ex
Lo-sat El DRE n % H Loseu &
A | 6
10-197 | LO-M?} F
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900 | 90-70 | L
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90-teur 90-teu
90-18 | 90-148
PRIRERARE DPFFEFFE Fu me A G96) 22m0s 20.9:18 (09) somos 2029,,9
i:
1V-20
:
Ew
or
‘Co2
F
Figure
IV-20 : Evolution temporelle du 5
*Cco2 des émergences du bassin d’A:
t.
rgnat. LO-IaB
LO-Sur
LO-1AS7
Lo-auel
90-22p
90-A0Ù
90-p0
90-1des
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90-1nf
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90-18
LO-IAB
LO-sæu
LO-1A97
Lo-auel
90-29P
90-aou
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90-1ds
90-10
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90-18
Blanzat
>. au
=
\
|
| |
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Lo-auef
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90-teur
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}
| {
|
Se Féligonde
FR —
FFF 888
(96 29mos E2..0
Reilhat captée
- \
Li FIFTFRRRA
(og) 29mmos 202,0
LO-1e
LO-Seur
LOT
LO-auef
90-29p
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90-10
90-1des
90-108
90-1nf
90-umf
90-teur
90-148
=
+
+ Sn
FATRARE a
Û
(94) somos ©0950
Grande Source Reilhat
Figure IV-20 (suite). Chapitre IV : Transferts horizontaux au sein du bassin d’Argnat
.
EL. So = SO & nm $ Ë E & €
Ë À à 5 8 £ 8 8 Ë À à Ë à
= #
£ 41
»
Ê -14 | É — |
% 23 = £
26 | La ira | . Malauzat
Figure IV-20 (suite).
A partir de la figure IV-20, les émergences peuvent être classées en trois groupes. Le premier
groupe concerne des émergences influencées par une source biogénique : Egaule, Malauzat,
Blanzat, Reïlhat captée, Grand Source Reilhat, Féligonde. Les captages d’Egaule, Malauzat et
Reiïlhat captée montrent quelques valeurs de 8Coo> calculées inférieures à la gamme de
8! ?Cco2 pour une source biogénique. Cet écart peut s'expliquer par une signature du CO
biogénique variable dans le temps et fonction du couvert végétal (Joux, 2002). Batiot (2002)
évoque en effet l'influence de la densité de végétation et de l'épaisseur du sol sur le signal
isotopique du CO2%. Nous pouvons noter que le ruissellement sur le substratum carbonaté
(8/$C des carbonates du bassin oligocène de Limagne compris entre -1,5 et -4%e, Bréhéret er
al., 2007) n'affecte pas la signature isotopique de l’eau de Blanzat. Le ruissellement se
produit donc dans un milieu ouvert sur le CO: biogénique (Wigley, 1975 ; Fontes, 1976). La
galerie d'Argnat présente des valeurs clairement enrichies par rapport à la source de CO;
biogénique. Enfin, un troisième groupe présente une signature en carbone-13 intermédiaire
(6 Cco2 Vernède = -17,2 + 1,2%o; 5Cco Vergnes = -18,6 + 1,5% ; 8 Cco2 Grosliers = -
19,4 + 1,5%) entre le pôle enrichi (8 Ccoz Argnat = -14,2 + 1,0%) et les sources localisées
en aval (6 Coop Reilhat = -22 + 1,1%o).
Les valeurs moins négatives peuvent s’expliquer par les deux hypothèses décrites au
paragraphe [IL4.
213 Chapitre IV : Transferts horizontaux au sein du bassin d’Argnat
1V.4.3, Les sources de CO, sur le bassin d’Argnat
Pour identifier les sources de CO: dans les eaux du bassin d’Argnat, nous avons reporté sur la
figure IV-21 les couples 8 Ccoz source / PCO4 pour chaque source.
ô!C CO, source (20)
-20.0
-24.0
f pôle CO, atmosphérique
Coulée des Grosliers ,,sssss-.,
ENT Le +
.+**" Argnat
Vergnes" : + + Groslier:
RESEE ES
Reilhat c®G.s, Reilhat +
Blanzat | +
i
1.0E-04 5.1E-03 1.0E-02 1:5E-02 2.0E-02
pCO, (at)
Figure IV-21 : Evolution du 8 Ccoz et de la pression partielle de CO; équilibrante des eaux du système d’Argnat (moyennes avril 2006-avril 2007).
La figure IV-21 montre une relation nette pCO>/ 5 Cco entre Argnat et les émergences de la
coulée des Grosliers. Les sources de la coulée de Blanzat se repartissent toutes dans le
domaine du CO: biogénique. Compte tenu des pressions mises en jeu pour les eaux des
Grosliers et d’Argnat (1,56.107? atm), l'influence atmosphérique peut être exclue. Le CO:
enrichi est donc d’origine mantellique.
Sur la figure IV-22 sont indiquées les gammes de valeur en carbone-13 calculées pour la
source de CO: pour chaque point de prélèvement analysé. Nous avons par ailleurs reporté les
principaux accidents du substratum du secteur (Boivin er al., 2004).
214 Chapitre IV : Transferts horizontaux au sein du bassin d’Argnat
Composition isot e moyenne !3C
de la source de CO:
c Jef
© T-—Chaîne des Puys volednism
po dem En
BC < -20%o
Oirc >-20% © d°c= 142%
— Fractures du substratum
Puÿ de P
Figure IV-22 : Distribution spatiale du 8 Ccoz source sur le bassin d’Argnat (avril 2006-avril 2007).
Les valeurs enrichies observées à Argnat (5° Cco2moy= -14,2%0) peuvent provenir d’un
mélange local avec du CO; profond compatible avec la proximité d’une zone de faille dans le
substratum. Cet enrichissement ne s'accompagne pas d'anomalies de température et de
minéralisation (Toy = 8:6 + 0,07°C et ECmoy = 210 & 2 uS.em'! durant toute la période
décembre 2005-juin 2007). Ceci exclut l'hypothèse d’un mélange avec des venues d’eaux
carbo-gazeuses mais souligne l’impact local d’un flux permanent de gaz carbonique
correspondant à un dégazage de CO du manteau supérieur lié à la fracturation du Massif
Central.
L’appauvrissement du signal isotopique à l’aval et la signature plus biogénique sont dus aux
apports de basse altitude plus marqués pour la coulée de Blanzat que pour la coulée des
Grosliers. Féligonde, appartenant à la coulée des Grosliers au regard des données chimiques,
montre des valeurs en 8!°Cco> proches de celles des eaux circulant dans la coulée de Blanzat :
cela est probablement dû à la faiblesse du débit de cette source, favorisant une rééquilibration
totale avec le CO.) du sol.
Ces données spatiales, et en particulier la mise en évidence d’une liaison hydraulique entre la
galerie d’Argnat et la galerie des Grosliers. nous permettent de mieux expliquer l’évolution de
la signature isotopique de l’eau des Grosliers observée au chapitre IT. La figure IV-23 montre
215 Chapitre IV : Transferts horizontaux au sein du bassin d'Argnat
l’évolution du débit, de la pCOx4 et de la part de CO biogénique de l'eau de la ZS
d’Argnat et de la part de CO biogénique de l’eau de la ZS des Grosliers. pour la période
avril 2006-avril 2007. Chapitre IV : Transferts horizontaux au sein du bassin d’Argnat
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115% + 1.4E-02
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8 9%] 60-03 2
£ 85%
2e 80% —#—% CO, biogénique 4.0E-03
75%
70%
Si w
Ê ,Ÿ
SN
Figure IV-23: Evolution du débit, de la pCO:eq et de la part de CO: biogénique dans la ZS d’Argnat (A et B) et de la part de CO; biogénique dans la ZS des Grosliers (C).
217 Chapitre IV : Transferts horizontaux au sein du bassin d'Argnat
Il apparaît que globalement la pCO2., augmente à Argnat et aux Grosliers durant les 13 mois
considérés. Ces observations impliquent que le flux de CO> mantellique s’est intensifié durant
notre période d'étude. Une telle augmentation a été récemment mise en évidence au Sud de la
Chaîne des Puys, au niveau du système Montchal-Moncynère-Pavin par Lavina et del Rosso
d'Hers (2008). Par ailleurs des extensomètres, placés à proximité de notre site d'étude,
auraient enregistré une déformation des accidents du substratum ces derniers mois (del Rosso
d’Hers, communication personnelle). Dans ce contexte, l'augmentation des pressions
partielles équilibrantes dans la ZS de l'aquifère, associée à un signal isotopique
caractéristique, pourrait trouver son explication dans une réactivation de l’activité profonde,
sous la Chaîne des Puys.
La participation du CO biogénique aux Grosliers est systématiquement plus élevée qu’à la
galerie d'Argnat, pour laquelle la part de CO) biogénique est plus grande en période de
hautes eaux. Cette tendance est moins nette dans la ZS des Grosliers, quoique la part
biogénique semble remonter légèrement en fin de période d’échantillonnage.
L'ensemble de ces observations montre ainsi que les signatures isotopiques des eaux à l’aval
d’Argenat sont influencées par :
- des venues de CO) mantellique, au niveau des failles du substratum, près d’Argnat,
qui se seraient intensifiées à partir d’octobre 2006 ;
- des conditions hydroclimatiques qui influencent le ruissellement, modifiant de façon
saisonnière le rapport biogénique/mantellique dans la coulée des Grosliers ;
- les infiltrations sur la coulée de Blanzat et le ruissellement sur le substratum de la
Limagne, marquées exclusivement par le CO) du sol, qui masquent complétement
l’impact du CO mantellique.
L'absence d’accidents tectoniques en amont d’Argnat explique par ailleurs la signature
purement biogénique à Egaule.
218 Chapitre IV : Transferts horizontaux au sein du bassin d’Argnat
IV.5. Synthèse et discussion sur les transferts horizontaux
L'approche spatiale du comportement hydrodynamique du bassin d’Argnat a permis de mettre
en relief la continuité hydraulique existant entre l’amont (représentée par la galerie d’Argnat)
et les sources à l’aval. Le faible taux de restitution est probablement lié à l'absence de
prélèvement dans de nombreuses émergences du bassin et à la forte hétérogénéité verticale et
horizontale des paramètres hydrauliques, induisant un piégeage temporaire du traceur.
Les signatures isotopiques de l'oxygène, de l'hydrogène et du carbone dissous et l’évolution
chimique entre Argnat et les sources à l’aval témoignent d’une double alimentation par les
cônes de scories et par des apports de basse altitude, variables selon les émergences. Deux
groupes de sources sont déterminés en relation avec l'existence avérée de deux niveaux
aquifères, le premier associé à la coulée des Grosliers, le second associé à la coulée de
Blanzat. La coulée des Grosliers préserve davantage le marquage chimique et isotopique des
eaux amont tandis que la seconde est plus fortement influencée par les infiltrations de basse
altitude, notamment par les infiltrations sur coulée, marquées par les nitrates et les chlorures.
Cette différence est due aux spécificités lithologiques et environnementales des deux axes de
circulations. On notera cependant des différences au sein même de la coulée de Blanzat entre
le lavoir de Blanzat marqué par le substratum sédimentaire et le captage de Malauzat
sensiblement influencé par l'interaction avec le milieu volcanique dans un contexte
environnemental plus dégradé.
219 CONCLUSIONS GENERALES Conclusions générales
Ce travail de thèse avait pour but d'étudier le fonctionnement hydrogéologique des aquifères
volcaniques de la Chaîne des Puys à l'aide de la quantification des transferts chimiques depuis
les eaux atmosphériques vers les eaux souterraines du bassin versant d’Argnat et de
comprendre les mécanismes qui conduisent à la minéralisation des eaux. Dans ce cadre, notre
étude s’est articulée autour de deux thèmes, dont voici les principaux résultats :
Thème 1 : Mécanismes d’acquisition de la chimie de la pluie. Influence du transfert
longue distance et du lessivage local.
L'étude statistique des analyses chimiques des précipitations journalières prélevées à Opme
pendant deux ans a montré que la variabilité de la minéralisation des eaux atmosphériques est
liée à : 1) la neutralisation des acides par le calcium et l’ammonium, 2) la source terrigène, 3)
la source marine.
Couplées à la connaissance des retro-trajectoires, ces données nous ont permis d'établir une
typologie de la minéralisation des précipitations en fonction de l'origine et du trajet des
masses d’air, Dans ce cadre, et en accord avec les caractéristiques météorologiques locales,
quatre secteurs de provenance ont été définis : 1) Ouest, 2) Nord et Est de l'Europe, 3) Bassin
méditerranéen, 4) local. Les résultats obtenus montrent que les caractéristiques physico-
chimiques et chimiques des précipitations varient d'un secteur à l’autre en fonction des
sources d’aérosols. Vingt-neuf événements prélevés grâce à un pluviocollecteur fractionné ont
permis par ailleurs d'étudier la variabilité chimique à l'échelle infra-événementielle. Nos
observations montrent que le lessivage sous le nuage influence largement la composition
finale de la pluie puisque les trois premières fractions participent en moyenne à 53% du flux
de minéralisation. Le rainout se caractérise essentiellement par le mécanisme de
neutralisation, dû à la mobilisation des terrains oligocènes de la Limagne. Il apparaît que des
recharges en éléments anthropiques peuvent intervenir en cours d'événement, traduisant
l'influence des paramètres météorologiques (direction et vitesse du vent, humidité du sol).
Les résultats sont résumés dans le tableau C1 :
223 Conclusions générales
Secteur 2 : Secteur 3 :
Secteur 1 : Nord et Est Bassin Secteur 4 : Ouest éd à Local Europe méditerranéen
% de la
quantité d’eau 30% 17% 29% 24%
précipitée
Influence terrigène : Ca*, HCO+
Influence marine : Na°, CI, Me”
Neutralisation :
: Source des Neutralisation : NH:NO:, Neutralisation : | Neutralisation : éléments dans NHINO», (NH:)2SO4 NHNO», NH4NOS,
Hphse (NH:}2SOs, (NH:)2S Os, (NH:}2SO.
CasOs, Influence acide CasO, CaSO4, Ca(NO:}2 HNO: Ca(NO:h Ca(NO:3h
NO;,S07,
- LAS: NH : Grande NOs, 50%, a se Ep Bretagne, NOs,S0#, NHi*: «':façade | peoique, P NH local | Agglomerati sinéque elgique, Pays 4": loc gglomeration Bas, Bassin clermontoise Transfert Parisien
longue distance Ca”, HCO: : Ca”, HCO: :
(Rainout) Ca”, HCO: : terrains Ca”, HCO: : terrains
Bassin aquitain | agricoles Nord local carbonatés de la de la France Limagne
Ne, cr, Mg | NC ME: | Na CL Me | Re cr, Me:
Océan atlantique Mer du Nord, Me origine multiple Mer Baltique Méditerranée
Ca”*, HCO:: terrains carbonatés de la Limagne => Neutralisation de
Influence locale l'acidité en début d'événement
(Whashout) NO, S04”, NH: Agglomération clermontoise : apport en début
d'événement / en cours d'événement si vent favorable.
Tableau C 1: Typologie de la chimie des précipitations.
Thème 2 : Transferts chimiques au sein du bassin d’Argnat.
L'étude du signal d’entrée du point de vue quantitatif, isotopique et chimique nous a permis :
- d'établir un bilan du bassin hydrogéologique d’Argnat et de définir comment et quand se
produit la recharge sur ce bassin. Ainsi la recharge se produit essentiellement entre novembre
et avril, les plus fortes quantités de pluies tombant en altitude, notamment au niveau des cônes
224 Conclusions générales
stromboliens, compte tenu des gradients de précipitations, de température et de l’effet de
foehn important à l’est de la Chaîne des Puys ;
- de définir la droite météorique locale à la station de Sayat (z = 550 m) :
8H =7,9 5 O + 7,3 (d = 8,1%).
La pente et l'excès en deutérium témoignent probablement de l'effet de foehn caractérisant ce
secteur de la Chaîne des Puys;
- de connaître la signature chimique de la recharge, préalable indispensable à l'étude des
transferts verticaux et horizontaux dans les coulées volcaniques du bassin d’Argnat.
L'étude hydrodynamique chimique et isotopique du continuum pluie/ zone non saturée/ zone
saturée au travers de prélèvements hebdomadaires dans les galeries d’Argnat et des Grosliers
montre :
- une alimentation préférentielle des ZS par les précipitations d’altitude (cône de scories) ;
l’eau de la ZNS des Grosliers provient d’une aire de recharge localisée dans la partie médiane
du bassin ;
- une évolution lissée des débits de l’ensemble des compartiments, traduisant le pouvoir
régulateur des matériaux volcaniques, assertion confirmée par la stabilité temporelle du ue)
dans la ZNS et la ZS des Grosliers. Dans les ZS, l’alimentation via les réservoirs des cônes
stromboliens tamponne les variations hydroclimatiques. Dans les ZNS d’Argnat et des
Grosliers, l'effet tampon est lié à l'empilement de plusieurs coulées et de couches de
matériaux pyroclastiques dans la partie amont du bassin d’Argnat, l’aire d’alimentation de la
ZNS des Grosliers étant localisée au niveau du goulot d’Argnat. La struture pahoehoe de la
coulée des Grosliers la rend relativement imperméable et accentue cet effet tampon, l'eau
circulant au toit de la coulée avant de s'’infiltrer à la faveur de fissures verticales,
- des caractéristiques chimiques des ZNS marquées par l'altération dés silicates, après
dissolution de CO biogénique dont la production varie selon l’activité métabolique dans le
sol. Les ZS d’Argnat et des Grosliers montrent des teneurs plus élevées en éléments exogènes
que les ZNS. Le suivi temporel de la ZS d’Argnat ne permet pas de déceler de variations
chimiques importantes, confirmant ainsi une alimentation par un réservoir bien mélangé. La
225 Conclusions générales
ZS des Grosliers montre en revanche des co-variations marquées entre le débit et les éléments
exogènes (nitrates, chlorures et sulfates). Ce comportement est attribué à l’infiltration d'eau
infiltrée à basse altitude dans des zones plus soumises à la pression anthropique. La variabilité
des éléments exogènes doit son ampleur à la relative faiblesse du débit de la galerie.
L'étude spatiale du transfert amont-aval des eaux volcaniques s'est appuyée sur les résultats
d’un traçage artificiel et sur une campagne de mesures isotopiques et chimiques mensuelles
réalisée au niveau de 10 émergences sur un cycle hydrologique (avril 2006 — avril 2007).
Nous avons démontré :
- que l’eau circulant au niveau du goulot d’Argnat participe à l'alimentation des eaux
souterraines de la coulée de Blanzat au Nord et de la coulée des Grosliers au Sud. Le traçage
artificiel a montré que le transit pouvait être rapide (vitesse maximale = 683 m.j') mais
hétérogène, du fait de la variabilité des paramètres hydrodynamiques des coulées ;
- une alimentation supplémentaire de basse altitude pour les points de prélèvements localisés à
l'aval du bassin versant d’Argnat, provenant soit de l’infiltration directe sur les coulées
volcaniques, soit de l’infiltration d’eau de ruissellement au contact socle / coulée. Cette
alimentation est cependant moins importante dans la coulée des Grosliers que dans la coulée
de Blanzat. La topographie (la coulée des Grosliers est en inversion de relief), la structure et
la lithologie des coulées (la coulée des Grosliers est une coulée pahoehoe moins perméable
que la coulée aa de Blanzat) expliquent ces différences ;
- que l’acquisition de la minéralisation des eaux du système est favorisée par l’ouverture du
système sur le CO profond, au niveau d'Argnat. A l'aval, les apports par ruissellement sur
socle (coulée de Blanzat et coulée des Grosliers) et par la ZNS (Coulée de Blanzat) vont
modifier les signatures chimiques et isotopiques des eaux du goulot d’Argnat. Si les eaux de
la coulée des Grosliers montrent une évolution modérée, la chimie des eaux de la coulée de
Blanzat évolue beaucoup plus significativement, que ce soit en éléments d’altération, qu’en
éléments exogènes, témoignant ainsi du rôle de la ZNS dans les coulées de type aa et de
l'influence anthropique à l’aval du système.
Les résultats sont résumés sur le schéma conceptuel de la figure C1 :
226 “euSAY,p uiISSEq npuns ne sonbiuryo sJ197su8.1) S0p 39 onbi$0109801p4y juowouuorouoy np jondo2u09 EW9US : 4 D 24n814 sueurenopaseg[|inasopourosnbruroponxreumreytDR unes91006 #4 ° UQUELNPOIA19EnDHEA aouauauremoeu OXTOENoo SaL109S2psauga .AnssuoneyIdtogiq 200$ns suonedropug Conclusion générale
Le traçage artificiel a permis de mettre en relief la fragilité des systèmes volcaniques vis-à-vis
des pollutions chimiques ponctuelles. Cette sensibilité s'exprime également vis-à-vis des
pollutions rémanentes. En effet, une comparaison des concentrations en chlorures et nitrates
mesurées par Barbaud (1983), Gaubi (1990) et les valeurs obtenues lors de cette étude nous
permettent d'évaluer l’évolution de la qualité des eaux du bassin d'Argnat depuis 25 ans
(figures C2 et C3).
60
50 - | Davr-81 |
cs“ Ejuin-90 || À 30 m 2005-2007 | pe | oO | 20 |
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sources/captages
Figure C 2 : Evolution des [CT] pour la période 1981-2007.
30
D avr-: 25 avr-81
D juin-90
M 2005-2007
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sources/captages
Figure C 3: Evolution des [NO;] pour la période 1981-2007.
1 19 æ Conclusion générale
La diminution du débit du bassin (appréhendé par la décroissance du débit dans la galerie
d’Argnat- cf. paragraphe I1.3.3) peut atténuer l'effet de dilution des polluants par l’eau en
provenance des zones de recharges préservées, ie. les cônes de scories.
Ces observations mettent ainsi en évidence l’importance de nos résultats pour aider à la
délimitation des périmètres de protection, celle-ci devant tenir compte de la triple alimentation
des coulées par : 1) les cônes de scories en altitude, 2) l'infiltration des eaux ayant ruisselé sur
le socle, au contact socle/coulée, 3) l'infiltration directe sur la coulée tenant compte de
l’alimentation de la ZNS par des zones souvent très en amont des points de captage. Notre
étude montre par ailleurs l'importance des éléments exogènes dans la chimie des eaux
souterraines, la pression anthropique s'exerçant majoritairement en bout de coulée.
L'évolution des débits, chlorures et nitrates au cours des 25 dernières années montre une
dégradation constante de la ressource du bassin d’Argnat, en terme de qualité et de quantité,
qu’il conviendrait éventuellement de préciser à l'échelle de la Chaîne des Puys.
La directive-cadre sur l’eau (2000/60/CE) et la directive-fille sur les eaux souterraines
(2006/C126E/01) du Parlement Européen donnent un cadre réglementaire à l'évaluation et la
prévention de la dégradation de la qualité des masses d’eau. En particulier, elle préconise de
prendre des mesures pour inverser les tendances concernant les pollutions chimiques
chroniques dans les eaux souterraines, D'autre part, l'exploitation des ressources en eau ne
doit pas nuire au bon état écologique en aval, ce qui implique également de réserver des débits
suffisants pour assurer le bon fonctionnement des écosystèmes aquatiques à l'horizon 2015.
Cette étude illustre ainsi les enjeux concernant l'exploitation des ressources de la Chaîne des
Puys. Si ces ressources sont aujourd’hui de bonne qualité, les exploitants devront à l’avenir
faire face à l’accentuation des contraintes réglementaires, écologiques et économiques, tout en
répondant à une demande croissante, et gérer de façon durable les aquifères volcaniques pour
pérreniser leur utilisation. A la lumière de nos résultats, la prise en compie du faciès des
materiaux volcaniques, de la topographie anté-volcanique et de l’occupation des sols sur les
zones de socles en particulier, pourrait aider à répondre à ces objectifs.
Depuis septembre 2008, la préservation et la mise en valeur de cet environnement a incité le
conseil général du Puy-de-Dôme à proposer le classement de la Chaîne des Puys au
patrimoine mondial de l'UNESCO.
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245 Liste des Figures
Figure 1-1 : Carte schématique du relief du département du Puy-de-Dôme.
Figure 1-2 : Plan d'occupation des sols de la région clermontoise
Figure [-3 : Pluviométries moyennes mensuelles (1971-2000 ; données MétéoFrance).
Figure 1-4 : Description morpho-structurale de la Chaîne des Puys (Boivin ef al., 2004)
Figure [-5 : Structure et fonctionnement d’un cône strombolien (d’après Camus, 1975)
Figure 1-6 : Structure et fonctionnement d’un dôme trachytique (d’après Camus, 1975)
Figure 1-7 : Schéma structural d’une coulée aa et pahoehoe (Loock, 2008)...
Figure 1-8 : Schéma conceptuel des circulations dans les coulées volcanique:
Figure 1-9 : Dispositif de captage de l’eau par galerie sous-volcanique.. ... £
Figure [-10 : Limites schématiques des bassins versants de la Chaîne Puys (d’après Livet et
Figure 1-11 : Site de Opme et appareils de mesure utilisés
Figure 1-12 : Pluviomètre journalier et capteur d'humidité permettant l'ouverture automatique.
Figure 1-13 : Pluviocollecteur séquentiel
Figure 1-14 : Carte géologique simplifiée du bassin d’Argnat et localisation des forages
effectués par le LRPC (Belin er al., 1988)...
Figure 1-15 : Coupes transversale et longitudinale du Basèin d Argnat (d’après Belin et‘al, 1988 : Gaubi, 1990, modifié). = .
Figure 1-16 : Limite du bassin d "Arenat (d'après Fournier, 1983, Belin et al.,1988 et Aubert et al., 1990) et localisation des points de prélèvements sure 40
Figure 1-17 : Schéma conceptuel de la disposition des coulées du bassin d° Argnat a localisation des principales émergences étudiées.
Figure [-18 : Griffon de la galerie des Grosliers. . ;
Figure 1-19 : Coupe technique de la galerie d’Argnat (d’après Van der Min, 1945)...
Figure 1-20 : Di Î ï
Sayat..
Figure 1-21 : Dispositif de prélèvement dans la galerie des Grosliers.
Figure 1-22 : Protocole de séparation du strontium.... As 4
Figure II-1 : Processus se déroulant lors du rainout des aépsols particulaires (d’après Hales,
Figure [1-2 : Processus se déroulant lors du washout des aérosols particulaires (d’après Hales,
1995)...
Figure I-3
2000)..
Figure II-4 : Secteurs de provenance des masses d’air. .
Figure II-5 : Exemple de calcul de trajectoire de masse d’air pour la journée du 3/5/06.
Figure II-6: Location and geological settings of the studied area.
Figure II elationship between precipitation heigh and conductivity of rainwateï
Figure II-8: Main identified sectors for air masses trajectories arriving at Opme: (1) West, @)
North and East, (3) South including Iberian and Italian Peninsula and (4) Local.
Figure II-9: pH distribution for the four meteorological sectors.. és £ Figure II-10: nssCa”* versus (NO3 + nss$O,?*) and NH4* versus “NOs +nssSOS) for the four meteorological SCOR. ses sssssississesssssssniserssrsssssssgitessassautssaenésessteretsteseten. Figure II-11: Mean chemical content evolution for the 29 fractionated sampled events. Figure 11-12: Evolution of the chemical content and rainfall height for the 23-24/03/2006 event coming from sector 1... 83
246 Figure 11-13: Evolution of the chemical content and rainfall height for the 11/04/2006 event coming from sector 2. sé 84
Figure 1-14: Evolution of the chemical content and rainfall height for the 06/05/2006 event
coming from sector 3... ë 185
Figure I-15: Evolution of the chemical content and rainfall height NE the. 07/05/2006 ‘event
coming from sector 4... $
Figure I1-16 : Hauteurs mensuelles de précipitations (mm) pour les stations d° es et Se
pour la période commune de prélèvement. rise ans ..91
Figure 11-17 : Processus d’évaporation — transport — condensation. Bet masses LS HESSURES et rapports isotopiques (d'après Gal, 2005).
Figure 11-18 : Droite Météorique du Bassin d’Argnat (DMBA), la DMM est la Droite
Météorique Mondiale d'équation 8H = 8 80 +10
Figure II-19 : Variations saisonnières de la DMBA...
Figure 11-20 : Carte hypsométrique du bassin d'Argnat. Figure 11-21 : Détermination du gradient altitudinal pour le bassin d’Argnat. 101
Figure 11-22 : Evolution annuelle du volume d’eau précipitée sur le bassin d’Argnat entre
1994 et 2007... vyes 103
Figure 11-23: Evolution annuelle drETPpourlatranche d “altitude 500-600 n m a estimée.sur les bassins d'Argnat et de Volvic (Joux,2002)... is 105
Figure 11-24 : Evolution de l’ETP du bassin d’ Argnat de 1994 à 2007. 107 Figure 11-25 : Comparaison de l’ETR pour différentes valeurs de RFU choisies pour le bassin
d’Argnat ... 108
Figure 11-26: Evolution de l'ETP et l’ETR du bassin versant d’Argnat de 1994 à 2007. 110
Figure 11-27 : Infiltration efficace sur le bassin d’Argnat pour la période d'étude. Comparaison avec les valeurs moyennes pour la période 1994-2007... all
Figure 11-28 : Comparaison des estimations de l’infiltration efficace en 2006 pour les tranches
d'altitude de 400-500 m et 1000-1100 m.. a 112
Figure 11-29 : Variation annuelle du débit du baséin d’Argn 113 Figure II-1 : Droite météorique locale et signatures moyennes de la ZS des Grosliers et
d’Argnat. .
Figure IlI-2: Localisation des galeries des Grosliers, d’Argnat et de la station météorologique 123
de Sayat. ...
Figure 13 Schéma conceptuel des circulations souterraines dans les coulées basaltiques
(d’après Dafny et al., 2006)
Figure I-4 : Log du forage privé localisé sur la coulées des Grosliers (: 6°N;
3°03°52"E) et parcours de l’eau supposé de l’eau de la ZNS.. .. 124
Figure III-5 : Hyétogramme des pluies à Sayat et hydrogtamimes de JB ZNSet sde % ES ds Grosliers (Decembre 2005- Juin 2007)... és -. 126
Figure II-6 : Hyétogramme des pluies à Sayatet Hydosrmmes de la ZNS et‘de Ta ZS dela galerie d’Argnat (Octobre 2006-Juin 2007). 127
Figure Il-7 : Corrélogramme simple des débits de la ZNS des (Grosliers 129 Figure I-8 : Corrélogramme simple des débits de la ZS des Grosliers..... 130
Figure II-9 : Diagramme de Piper de la pluie échantillonnée à Sayat (1), la ZNS et la ZS des Grosliers (2 et 3), la ZNS et la ZS de la galerie d’ Argnat (4 et 5)... 132 Figure II-10 : Concentrations chimiques moyennes dans la pluie efficace et dans la ZS et la 133 ZNS de la galerie des Grosliers et de la galerie d’Argnat.
Figure III-11 : Série d’altérabilité des minéraux silicatés de Goldich (d’après Appelo et
Postma, 1994)
Figure III-12 : Analyse en composante principale des paramètres chimiques de la ZS et de la
ZNS des Grosliers, diagrammes des variables (A) et des individus (B)....................... 137
247 Figure 111-13 : Evolution temporelle du NO; , CT, SO*’, POS et 8/50 dans la ZNS des Grosliers. .
Figure IlT- 14 Évolution temporelle ne Na,K* Mg Ca%* et de la conductivité éléctrique de
la ZNS des Grosliers. . 140
Figure II-15 : Evolution jemborélle üs NO;,a , SO” et conductivité éléctrique dans le ZS des Grosliers..
Figure IN-16 : Evolution temporelle du Ca®*, du Mg, du Na, K*, SiO: et du 8 O dans la ZS des Grosliers.... * 142
Figure IlI-17 : Evolution temporelle des concentrations et de la conducti léique dans la ZNS d’Argnat.... 143
Figure [T-18 : Evolütion temporelle des NOz,, CT, SO, Na°, Mg”, K*. Ca*'HCO; et de la conductivité éléctrique dans la ZS d’Argnat. 144
Figure 11-19 : Signatures isotopiques en carbone-13 des différentes sources de CO» gazeux. 148
en n'syetème duvero ou u fermé Hp S Stumm Figure 11-20 : Répartition des espèces carboné et Morgan, 1981)... ss gère .. 149 Figure II-21 : Evolution temporelle chine,‘de: la CO et sCore dans a ZNS ds.
Grosliers. . .... 151 Figure II- 22 Relation entre la signature en carbone-13 et la pCOseq dans a ZNS des.
Grosliers 152
Figure I-23 : Variations temporelles de la température moyenne hebdomadaire de l’air et de
la pCO: équilibrante dans la ZNS des Grosliers (Décembre 2005-Juin 2007)... 153
Figure IlI-24 : Evolution des 8 Corn mesurés et calculés en système ouvert sur le CO: biogénique et de la pCOz4 dans la ZNS Grosliers
Figure Il-25 : Calcul des indices de saturation pour la calcite et la dolomie dans la ZNS des 158 Groliers....
Figure [11-26 : Evolution du FECon mesuré et calculé pour un équilibre du CO avec le CO; atmosphérique.
Figure III-27 : Evolution du #Corn mesuré etÀ clcolé à partir d’un couplage d’une origine
biogénique et atmosphérique. 160
Figure [11-28 : Evolution du 8! Cerm de la ZS et de la ZNS de la galerie des Grosliers....... 162 Figure IN-29 : Evolution de la signature Spa de la source de CO: et calcul de la part de CO; biogénique dans la ZS des Grosliers. . .... 164 Figure 11-30 : Evolution temporelle des teneurs
Figure IV-1 : Contexte géologique et localisation des points de prélèvements
Figure IV-2 : Injection d’iodure de sodium dans le trop-plein de la galerie d’Argnat et
préleveur installé à la source du Bédat.......................................................... 175
Figure IV-3 : Courbes de restitution du traceur pour le traçage de mars/avril 2007... 176
Figure [V-4 : Courbes théoriques de restitution du traceur calculées à partir du modèle SFDM. . ... 180
Figure IV- x x roite
Météorique du Bassin d'Argnat, DMM : Droite Météorique Mondiale (Craig, 1961)... 184
Figure IV-6 : Evolutions amont-aval des 5!#0 des sources du bassin d'Argnat. 186 Figure IV-7 : Affleurements des coulées des Grosliers et de Blanzat montrant la différence de 188 porosité.
Figure IV-8 : Distribution spatiale des teneurs en oxygène-18 sur le bassin d’Argnat (avril
2006-avril 2007)
Figure IV-9 : Gradients altitudinaux de la température moyenne des sources du bassin
'ATEMAL rrssdisssascsnestrgnrenaiear ter snger these a na Pan ner vend sde reed 193
248 Figure IV-10 : Diagramme Piper pour les eaux du bassin d'Argnat.................. 195
Figure IV-11 : Analyse en composante principale ; A) RPERAEe des es contrôlant
la minéralisation ; B) diagramme des individus... .
Figure IV-12 : Evolution amont-aval des teneurs Toyennes en1 CT, Or.; ‘s0
Figure IV-13 : Ca vs SO,” à Blanzat, Malauzat et Reilhat captée
Figure IV-14 : Evolution amont-aval des teneurs moyennes en Na‘etK Figure IV-15 : Relation Na‘/C] dans les eaux du bassin d'Argnat ; le rapport de l’eau de pluie se base sur les analyses chimiques des précipitations échantillonnées à Sayat
Figure IV-16 : Relation K°/CT dans les eaux du bassin d'Argnat. .
Figure IV-17: Evolution amont-aval des teneurs moyennes en Ca, Mg et HCO:. 204
Figure IV-18 : Indices de saturation des FÉRSROPS de la silice, des minéraux carbonatés,du
gypse et du COz@ 205
Figure IV-19 : Diagrammes de Stabilité ES minéraux L silicatés des eaux du bassin d'Argnat.
Figure IV-20 : Evolution temporelle du 8! Coco des émergences du bassin d’Argnat.
Figure IV-21 : Evolution du 8 Coop et de la pression parie de CO: équilibrante des eaux du système d'Argnat (moyennes avril 2006avril 2007)... à 214
Figure IV-22 : Distribution spatiale du 5 Coco source surs bassin a“Argnat (avril ‘2006avril "AT
Figure IV-23: Evolution du débit, de la pCOegq et de la part de CO: biosénique dans la ZS d’Argnat (A et B) et de la part de CO: biogénique dans la ZS des Grosliers (C)............. 217
Figure C 1: Schéma conceptuel du fonctionnement hydrogéologique et des transferts
chimiques au sein du bassin d’Argnat
Figure C 2 : Evolution des [CT] pour la période 1981-2007.
Figure C 3: Evolution des [NO:] pour la période 1981-2007.
249 Liste des Tableaux
Tableau 1-1 : Analyses chimiques (en % de poids) des roches du socle (d’après Barbaud,
1983)... : Tableau L 2: Valeurs de porosité et transmissivité des Formations volcaniques de y pyroclastique.
Tableau 1-3 : Analyses chimiques (en % de poids) de scories stromboliennes (d’après Camus,
1975)... .25 Tableau L4 Résultats depompäges d'essai dans la Chaîne des Puys (Belkessa, 1977)... 27 Tableau 1-5 : Valeurs de porosité, pe et transmissivités des formations volcaniques de type basaltique....
Tableau 1-6 : Compos on éHinique àen.% ‘dés: laves du bassin d’Argnat (d’après Camus,
ste 22
Tableau 1-7 Evaluations, de la ‘saperñicié du assis d*Argnat.
Tableau 1-1 : Composition chimique moyenne des précipitations à Argnat (ueq.1') Tableau IT-2 : Répartition hypsométrique du bassin d’Argnat
Tableau IT- stimation de la lame d’eau précipitée annuelle en mm par tranche d’altitude.
nn déarnrets taie ih etes eds TR Or cense re Eden ne dl 0 ren desdes Titi ébe ds sae ss sit 102
Tableau II- radients altitudinaux pour la température sur divers bassins de la Chaîne des
Puys et standard national 104
Tableau II-5 : Valeurs du coefficient de correction f pour le sème parallèle. 104 Tableau II-6: Estimation des ETP annuelles en mm par tranche d’altitude. 106 Tableau 1-7 : Estimation de l’ETR pour chaque tranche d’altitude. ....... 109 Tableau II-1 : Pas de temps adoptés pour les mesures en oxygène-18 et deutérium dans la pluie, les ZS et la ZNS..
Tableau IN-2 : Calcul du sigoalmoyen Fe “gnal d'entrée pour le bassin d’Argnat (Zmoy= 811
m). ...
Tableau Ti 3 Détermination de l’airedE: recharge à partir. du signal:npyen de l'infiltration efficace (avril 2006-mars 2007). 121
Tableau I-4 : Caractéristiques physico-chimiques et chimiques des P uies à Sayat eet + des eaux
souterraines des Grosliers et d’Argnat (la conductivité est en LS. cm, les concentrations en mg.l', les moyennes sont pondérées par les hauteurs d’eau et les débits).5e 131 Tableau II-5 : Calcul des apports météoriques en éléments chimiques dans les eaux souterraines (mel). sr tn esp tete ete paie e ons A eS és seen at Daréedat oo daNu sain dattes en vaste sé 133 Tableau II-6 : Composition minéralogique normative de la coulée des Grosliers et de la coulée de Féligonde (analyses réalisées par de Goer et Claval, non publiées). 135 Tableau INI-7 : Calcul des facteurs de fractionnement du carbone minéral en fonction de la température (en °K) ... 150 Tableau II-8 : Valeurs en carbone-13 du CO du sol, pour les plantes en C3 154 Tableau IV-1 : Vitesses maximales du traceur pour chaque source. 176 Tableau IV-2 : Valeurs des paramètres hydrodispersifs. Les paramètres utilisés pour le calage des courbes théoriques sont en gras... ... 181 Tableau IV-3 : Signatures isotopiques des émergences du Pasèin d’Argnat. 183 Tableau IV-4 : Altitude moyenne d'alimentation pour les sources du bassin d " 185 Tableau IV-5 : Signatures isotopiques des différentes alimentations. . au .... 190 Tableau IV-6 : Participation des alimentations de basse et haute altitudes dans Îes ssources du bassin d’Argnat. ... 190 Tableau IV-7 : Statistiques des paramètres physico-chimiques et chimiques des eaux du bassin d'Argnat (= lR sine rss een in este 192
250 Tableau IV-8 : Données de pH et de conductivité électrique des eaux de la Chaîne des Puys et 194 d’autres aquifères basaltiques dans le monde.
Tableau IV-9 : Concentrations (en mg.l'!) et paramètres physico-chimiques des eaux de ruissellement prélevées sur le bassin d’Argnat. sé Tableau IV-10 : Rapports isotopiques Ÿ’Sr/ #$6r dans les eaux du bassin d'Argnat. Tableau IV-11 : Valeurs moyennes (avril 2006-avril 2007) du à BCorrp et de la minéralisation carbonée pour les émergences du bassin d’Argnat. 209
Tableau C 1: Typologie de la chimie des précipitations. 224
Table 1 : Major ionic constituents (ueq:1) of the 217 sampled rains during the study period (Nov 2005- Nov 2007)
Table 2: Varimax rotated factor loadings, total variance and the determination of the main
different sources.
Table 3: Weighted mean value (ueq-l") of major ionic rain components for the four
meteorological sectors.
Table 4: Mean characteristics of the four fractionated events.
251 Annexes Annexe A: Estimation des effets de mélange du pluviomètre
séquentiel
Cinq tests de mélange ont été réalisés pour évaluer au mieux les effets de mélange. Les 6
premiers flacons sont remplis avec de l’eau de robinet dont nous connaissons la conductivité
(cf. tableau tests). Nous versons ensuite de l’eau distillée (conductivité connue) dans des
conditions de débit les plus réalistes possibles. Nous relevons enfin la conductivité des 6
flacons et estimons les pourcentages de mélange. La moyenne générale des effets de mélange
des cinq tests réalisés est de 2,7%, valeur suffisamment faible pour valider les analyses.
Test 1 Test 2 Test 3
CE. de l’eau du robinet 302 310 319
(uS/cm)
CE. de l’eau distillée
(uS/em) 3 3 8 C.E. % CE. % CE. %
mesurée mélange mesurée mélange mesurée mélange Flacon 1 279 7,7 298 3,9 297 7
Flacon 2 291 3,7 303 2,3 306 4,1
Flacon 3 294 2,1 307 1 313 2
Flacon 4 295 24 306 1,3 312 22
Flacon 5 296 2 306 1,3 314 1,6 Flacon 6 297 1.7 303 2,3 310 2.8
Moyenne test 3,40% 2% 3,30%
Test 4 Test 5
CE. de l'eau du robinet
(uS/cm) ste 502 C.E. de l'eau distillée 2 2 (uS/cm)
CE. % CE. 2
mesurée mélange mesurée mélange
Flacon 1 298 3,3 292 3,3
Flacon 2 305 1 295 2,3
Flacon 3 306 0,7 297 1,7
Flacon 4 306 0,7 294 2,7
Flacon 5 307 0,3 290 4
Flacon 6 305 1 283 6,3
Moyenne test 14% 3,38% Annexe B: Relation hauteur d’eau-débit dans la galerie des
Grosliers
Débit = 0.349977 JEvs07T6_+v'8000769S'0E E2 LES8T'€90/TO/LT 9%oT+0L'Es'8000'09Tés S F2 e elele olglRlsisl8lslsislsiols|ls|e|ÿlRIR L 6 $
als+lelalal-|- als leats leaf" lalalalals{s# {alle €tbLO90VIIIT0088géttvL'Y80'LT'EI90/60/80 TES90voJETprOOJOJET6p__9USEPSSI9OHO/IT
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VT 90/0767 Gg'eMOTOT0000LpST6S9S+96900 FrTo69SLTIO69O0€6691OIGPSTET9O/E0/61 tTrGE66e00JSEESIIPSEO0STppeE'O9JO/ÆEO/8T O6ETI8900SSTLSRSOSEPSbaTE90EO/O1 [S'yIDTSp00Or'OIL'OSTOpSES€£T6090/E0/60 TcrSETET00SpGPLbéO16ISL6!90/0/L0 Fr9709IS00ZIS9I£E09$YCIl'O90/E0/S0 £19D'ETpor00LEEEBIpEEOOESLISO90/20/61 E DST E9 OST
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L L'IT SIT Te TT 6e OO ESTTPE E9S +r rs ST WT 90/71/90 ID'8IPLSTCBIpeOOETI£EIESTOZTES6STOO/I1/2c EsJ'8STOISrETE88e00LEEISSO91S8ISICO090/11/91 rTE6L'OTT6EL69800CISpalprOT8SSJTpOJOIT/IT ÊCE681OOL'ISSr00SecEESESOZI+pL'o8cEO9O0/01/LT €GE60STIS80097l'EsepEto£so90/01/07 rTS80SO6pIEE00£9EIL61O1SESbp89OJOOI/CI rCr9ÿT0819100TELOTpl0€L6'SET9€9O/OI/IT ISELo£'O+6ET00ENtett91CR:‘€90/01/20 Ilé6€LT6ST621006plITrl8ST6VW90/01/60 ÜT8coSTL'6IOPzOOTITIJETT'87IIpre8to90/01/r0 ï SL 9TWI OT LT00 ro g'8 87 O7 99 + 9 9JOOIE0 €66STLISeSp00VelTSSpÿYISTS88TJO/60/0€ ID'EIESDSPTEVO00LIGIEE6lST9SSpl9'O90/60/07 €FLOOESE09TLSOOJ'IIJOGII0€SES8SIJO/60/T £NT£OL'OJEET0061LETIO86€IBE90/60/ST rL'ETVELEJEEVOL00CIITPELOpTSLIL‘€90/60/10 ïT9MSILOTTLTLSLEOSIL'IEO'ErOETL'OBEEO90/80/8 EMLOEDTTer6L6€JTLOIT6OTI8+6L'O90/80/07 LLITGIOTJDE06E00l'9TTLESGEO19LI0‘LO/EO/80 tGELOP60PILSéMTSTI6%611OGTEI9LO/IO/ST GWLGTSOEST650099SLgLaGSST40/10/80 tPETDhPT697LB00ILETSL'OL0TvLv_90CI/LI IÉYT9TTESOI6€0069ŒLLyVE6€9S87LO/LO/0E rTE€+PTOVEE£900UETeT66091#9TIS'OILO/LO/07 19OTESETTELPETOOOIJL997968LETLO/L0/v0 LEStDS96EISSI00PLIDELOTO19ÙS6+'OLO/LO/EO TDES96SLSES99JOpéeJE96OIOIZ69ET60LO/90/80 tprOT80IILT00g6SOLT0HSCIE9LO/60/LT ïTOI60OTS£IT008007LTO1ISS©9'ITL0/80/0T £69SrOTSPESe00DOLEZ86OTIÿSCIO'TILO/80/ST 090-S0-£0n8LT
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LS- d'ér LIL SSTLOI LL Li L'TI DE L'IT 9678 a 189 667
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isotopiques de la ZS d’Argnat (analyses hebdomadaires)
Nom Débit (Vs) CE. pH Si0, HCO; CI NO; SO Na K' Mg* Ca”
05/10/2006 111 210 657 43 805 142 69 8,2 129 7,3 10,8 15,1
12/10/2006 111.25 210 7 35 830 141 69 83 125 71 104 14,5
19/10/2006 111,5 210 665 34 854 140 69 84 122 69 9,9 13,8
26/10/2006 110,5 209 6,68 35 83,0 143 67 84 135 7.9 11.0 17,2
02/11/2006 110 209 6,72 33 854 140 68 82 146 82 118 17,2
09/11/2006 109 212 6,67 31 80,5 148 67 91 133 71 94 16,3
16/11/2006 109 211 665 33 927 141 69 82 129 74 100 15,7
23/11/2006 107 212 6,82 32 854 138 67 83 131 75 110 16,3
30/11/2006 108 212 698 33 962 139 67 80 IL9 66 97 136
07/12/2006 108 213 646 31 84,2 142 68 85 136 80 110 16,5
14/12/2006 107 212 667 33 83,0 141 7,2 83 127 72 10,9 15,2
21/12/2006 107 209 677 29 87,8 142 71 8,2 127 7,2 10,9 15,1
28/12/2006 107 212 649 35 80,5 14,0 65 80 131 7,7 10,7 16,4
04/01/2007 106 213 644 38 903 142 70 83 136 78 111 17,6
11/01/2007 106 32 854 14,5 66 SI 13,6 7,7 10,9 17,3
18/01/2007 105 29 903 14,3 69 87 136 85 113 168
25/01/2007 105 32 732 27.1 249 169 229 118 173 27.2
01/02/2007 106 28 805 144 68 87 128 6,5 9,5 14,3
08/02/2007 106 211 666 32 80,5 145 7,1 8,3 142 84 118 17,2
15/02/2007 107 212 641 34 854 142 6,7 84 142 84 11,9 17,3
22/02/2007 108 210 6,68 35 854 14,7 7.1 83 131 68 9.8 13,9
01/03/2007 112 210 667 33 80,5 145 7,0 84 134 7,6 10,2 20,8
08/03/2007 115,5 210 649 30 805 143 68 83 134 75 104 16,7
15/03/2007 119 210 6,52 32 866 146 68 83 129 7,7 102 15,5
22/03/2007 121 210 648 33 854 142 68 82 133 73 10,2 17,5
29/03/2007 123 211 647 33 805 143 6,9 83 131 76 10,2 15,5
07/04/2007 125 211 6,65 34 80,5 142 64 80 134 79 111 17,0
13/04/2007 125 211 651 34 854 144 66 82 127 66 9,4 128
19/04/2007 123 210 638 33 83,0 144 55 81 130 7,6 11,2 19,8
25/04/2007 122 210 666 32 83,0 145 7,6 82 122 66 9,8 14,3
03/05/2007 122 211 664 33 80,5 144 68 8,3 142 8,5 12,1 18,4
08/05/2007 120 211 6,57 32 817 120 53 70 126 74 10,6 15,3
15/05/2007 118 211 68 27 80,5 14,4 12,9 81 13.2 11,6 10,3 17,1 21/05/2007 116,75 211 68 30 83,0 142 66 80 128 76 ILI 16,8
31/05/2007 115,5 210 6,81 31 83,0 138 7.0 7,9 129 7,6 10,7 16,1
07/06/2007 114.5 210 6,79 37 805 146 7.7 81 128 7,6 10,3 16,8 Annexe H : Analyses physico-chimiques, chimiques (mg!) et
isotopiques de la ZNS d’Argnat (analyses hebdomadaires)
Date Débit CE. pH Si0; HCO;ÿ CI NO; SO Nat K' Mg* Ca* 05 au 11-10-06 4.5E-06 145 6.8 25 683 56 25 129 11,1 72 7,0 115 12 au 18-10-06 4,5E-06 141 675 20 537 56 21 126 97 64 60 79 19 au 25-10-06 3,8E-06 139 6,77 34 610 57 2,1 125 100 63 66 8,5 26 au 01-11-06 4,5E-06 140 69 28 57,3 56 20 122 10,1 65 6,5 8,6 02 au 08-11-06 4,5E-06 123 6,82 24 464 62 24 132 107 7,7 4,6 10,2 09 au 15-11-06 4,5E-06 128 6.89 24 537 57 22 126 96 60 59 7,9 16 au 22-11-06 4.3E-06 131 6,71 27 488 57 2.1 127 96 59 59 7,6 23 au 29-11-06 4,1E-06 132 6,91 22 488 58 21 126 98 63 61 84 30 au 06-12-06 4,2E-06 129 688 21 488 57 21 127 9,5 57 58 76 07 au 13-12-06 4,2E-06 123 6,72 26 427 53 21 ILS 83 52 48 6,7 14 au 20-12-06 4,0E-06 120 7,06 21 45,1 61 22 132 92 55 54 75 21 au 27-12-06 3,8E-06 115 6.47 24 366 62 1.3 119 80 50 38 5,6 28 au 03-01-07 5,2E-06 125 6,57 25 439 56 16 125 100 62 58 88 04 au 10-01-07 2,9E-06 120 66 24 420 57 19 121 98 6,6 58 8,9 11 au 17-01-07 3,3E-06 121 67 19 410 58 16 135 96 54 51 88 18 au 24-01-07 4,0E-06 120 67 23 420 65 22 137 97 54 50 112 25 au 31-01-07 3,5E-06 118 68 23 400 7,2 20 135 92 58 38 53 O1 au 07-02-07 3,6E-06 117 6,74 22 366 62 22 132 89 51 47 63 08 au 14-02-07 4,1E-06 120 6,74 23 488 56 19 125 89 51 49 62 15 au 21-02-07 4,6E-06 128 7,23 24 488 57 16 134 101 63 55 10. 22 au 28-02-07 4,9E-06 128,5 7.14 23 488 57 15 137 104 62 5,6 9,0 01 au 07-03-07 5,1E-06 129 7,05 24 488 56 15 139 106 62 57 8,0 08 au 14-03-07 8.6E-06 119 6,52 22 39,0 58 15 140 96 62 53 8,9 15 au 21-03-07 8,3E-06 118 68 24 366 53 14 140 93 60 52 74 22 au 28-03-07 9,6E-06 112 6,61 23 427 53 13 136 90 57 48 73 29 au 07-04-07 1.1E-05 121 6,57 28 464 61 18 133 87 58 45 57 07 au 11-04-07 9,3E-06 116 6,51 27 39,0 54 LI 135 99 67 6.1 10.1 12 au 18-04-07 7,6E-06 116 648 24 305 54 15 132 88 65 51 9. 19 au 25-04-07 7,5E-06 111 7,12 24 366 5,5 LS 130 83 51 43 68 25 au 02-05-07 7,3E-06 113 661 26 378 55 12 131 99 66 57 86 03 au 09-05-07 7.4E-06 117 676 27 427 73 04 130 10.2 105 6.1 89 10 au 16-05-07 7,3E-06 119 6,98 27 450 54 I7 129 91 62 54 88 16 au 24-05-07 6,5E-06 122 6,97 25 464 53 17 127 92 6.3 54 106 25 au 31-05-07 6,5E-06 122 697 25 464 53 17 127 92 63 54 106 01 au 07-06-07 6,4E-06 128 6,79 25 48,8 5,3 1,9 12,5 9,7 6,4 5,8 8,8 6$- v'8- T'or-
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O'IT €0-LO0 ZUEIS Annexe J : Mesure des blancs pour le traçage artificiel au Naï
Avant de procéder au traçage artificiel, un blanc a été prélevé dans chaque source suivie. Les
résultats des mesures sont reportés dans le tableau suivant. Il apparaît que les ions iodure ne
sont pas présents naturellement dans les eaux du bassin d’Argnat.
Provenance
échantillon
Vernède Féligonde Blanzat Les Grosliers
[ (gr) 0,0004 0,0007 00010 0,0001 Annexe K : Mesure des blancs pour les analyses chimiques des
eaux de pluie et des eaux souterraines
Tout matériel entrant en contact avec un échantillon peut le contaminer par un apport, même
faible, d'éléments chimiques. Le but des blancs et de vérifier que le matériel utilisé
(pluviocollecteurs, préleveur automatique, flaconnage) est neutre.
Blanc Pluviocollecteur intégré (ueq.l!)
Composé | C (ueq.l'’)
cr 0,0
NO 0,0
SO. 0,0
PO 0,0
Na* 1,2
NHa* 0,0
K* 0,8
Mg* 0,6
Ca* 5,7
Blanc Pluviocollecteur séquentiel (ueq.I)
CT _ NO; SO POS Na NH K° Mg” Ca* Flacon1 | 5,3 0,6 0,0 0,0 4,9 07 2,1 43 11,2 Flacon 2 | 24 0,3 0,0 0,1 3,2 0,1 1,8 1,5 4,3 Flacon 3 | 2,8 0,3 0,0 0,1 3,4 00 24 2,1 8,4 Flacon 4 | 1,4 0,3 00 0,0 2,1 0,0 0,5 0,8 2,9 Flacon 5 | 2,5 0,4 00 04 4,1 0,3 3,0 1,7 13,5 Flacon 6 | 1,8 0,3 0,0 0,3 2,8 0,5 3,1 (09 2,7 Blanc préleveur automatique d’eau souterraine Queq.l?)
Composé | C (ueq.l)
cr 0,1
NO; 0,0
SO 0,0
PO 0:0
INa* 1,0
NE * 0,0
K* 0,5
Mg + 0,7
Ca’* 5,4 De la pluie à l’eau souterraine. Apport du traçage naturel (ions majeurs, isotopes) à l’étude du fonctionnement des aquifères volcaniques (Bassin d’Argnat, Chaîne des Puys, France).
Résumé: Les caractéristiques hydrogéologiques de la Chaîne des Puys sont liées à ses particularités climatiques,, géologiques, morphologiques et environnementales qui vont contraindre l’eau souterraine en terme d’origine, quantité, qualité et parcours dans les aquifères volcaniques. La composition chimique et isotopique de l’eau reflétant l’ensemble des processus intervenant lors du cycle de l’eau, ses variations au sein et entre les différents compartiments permettent donc de préciser le rôle de ces différents facteurs. C’est l’objet de cette thèse qui porte sur la caractérisation chimique (ions majeurs) et isotopique (6/0, SH, 8!?C) des différentes étapes du cycle de l’eau afin de définir le fonctionnement des aquifères sous-volcaniques de la Chaîne des Puys. Dans cette perspective, notre travail s’est articulé autour de deux thèmes : 1) la définition du signal d’entrée des aquifères régionaux, préalable indispensable à toute étude hydrogéologique, 2) l'étude du fonctionnement du bassin versant d’Argnat localisé au Nord de la Chaîne des Puys.
L'étude des mécanismes d'acquisition de la chimie de la pluie (Na’, K’, Mg, NH, Ca, CF, NO;, 0: ; PO, HCO:) en fonction de son trajet longue distance (rainout), et de
l'influence des paramètres météorologiques, environnementaux locaux sur le lessivage pendant la pluie (washout), montre que la majorité des pluies proviennent de l’Atlantique et du Bassin Méditerranéen et est essentiellement influencée par les éléments terrigènes (Ca, HCO;) et anthropiques (NO;,NH4', SO), souvent associés (processus de neutralisation). L'influence locale sur la chimie est surtout liée aux éléments terrigènes provenant du bassin sédimentaire de la Limagne, mais l'humidité du sol, la direction et la vitesse du vent peuvent favoriser une recharge du nuage en éléments anthropiques originaires de l’agglomération de Clermont-Ferrand.
L'évolution des paramètres chimiques (ions majeurs) et isotopiques (6/0, SH, 5 °C) entre les différents compartiments du bassin d’Argnat met en évidence le rôle de la zone non saturée dans l’alimentation de la zone saturée des aquifères volcaniques. IL apparaît ainsi que le schéma d’une alimentation verticale n’est pas simple et que le comportement de la zone non saturée se rapproche de celui d’un aquifère perché. Dans ce cas, l’existence d’un aquifère perché ne peut s'expliquer que par des circulations superposées à l’intérieur même de la coulée basaltique qui s’avère ainsi hétérogène du point de vue des caractéristiques physiques et donc de l’hydrodynamique. L'étude du transfert en zone saturée depuis l’amont vers l’aval, à partir de 10 points de prélèvements permet d’estimer, compte tenu du contexte géologique et de la topographie, la contribution relative des alimentations de haute et basse altitude. Ces venues de basse altitude modifient significativement la chimie de l’eau, notamment via des apports en éléments anthropiques tels que les chlorures et les nitrates. L'interprétation des mesures de 8/°C associées aux calculs de pCO: confirme la présence de CO d’origine profonde et précise sa répartition géographique dans le bassin d’Argnat.
Mots-clefs: Aquifères volcaniques, Ions majeurs, Oxyène-18, Carbone-13, Pluie, Zone non saturée, Zone saturée, Chaîne des Puys. From rain to groundwater. Contribution of natural tracer tests (major ions, isotopes)
for the study of volcanic aquifers (Bassin d’Argnat, Chaîne des Puys, France).
Abstract: Hydrogeological characteristics of the Chaîne des Puys are linked with its climatic,
geological, morphological and environmental characteristics. These specifities constrain
origin, quantity quality and flow of water in volcanic aquifers. As the chemical and isotopic
signatures of water reflect processes occurring during the water cycle, their variations into and
between the various compartments specifies the role of these factors. The subject of this thesis
deals with the chemical (major ions) and isotopic 6/0, SH, 8 °C) characterization of
different stages of the water cycle to define the operation of sub-volcanic aquifers of the
Chaîne des Puys. In this perspective, this work focused on two themes: 1) the definition of the
input signal of regional aquifers, a prerequisite to any hydrogeological study, and 2) studying
the functioning of the Argnat catchment, located in the North of the Chaine des Puys.
The study of the mechanisms of acquisition of the rain chemistry (Na*, K*, Mg2*, NHs*, Ca°*,
CF, NO;, 8047 , PO”, HCO;) based on its long-distance travel (rainout) and the influence of meteorological parameters on the local chemical input during rain (washout), shows that the majority of rain comes from the Atlantic and the Mediterranean Basin and is predominately influenced by terrigenous (Ca, HCO:') and anthropogenic (NO: ,NH4',8047) elements, often associated (neutralization process). The local influence on the chemistry is largely due to the terrigenous sediments from the basin of the Limagne, but soil moisture, wind direction and speed can promote recharge of cloud by anthropogenic aerosols from Clermont-Ferrand.
The evolution of chemical (major ions) and isotopic (8/0, SH, °C) parameters between the different compartments of the Argnat basin emphasizes the role of the unsaturated zone in the supply of the saturated zone in volcanic aquifers. Thusm it appears that the scheme of a
vertical circulation is not simple and that the behavior of the unsaturated zone is close to that
of a perched aquifer. In this case, the existence of a perched aquifer can only be explained by
superimposed circulations within the basalt flow which is heterogeneous in terms of physical
characteristics and therefore the hydrodynamic. From 10 sampling points, the study of the
transfer into the saturated zone from upstream to downstream, given the geological context
and topography, allows estimate the relative contribution of supply from high and low
altitudes. Those from low altitude significantly modify the water chemistry, particularly
through chlorides and nitrates contributions. The interpretation of 5'?C measurements
associated with calculations of pCO: confirms the presence of deep origin CO» and precises
its geographic distribution within the basin Argnat.
Keywords: Volcanic aquifers, Major ions, Oxygen-18, Carbon-13, Rain, Unsaturated zone,
Saturated zone, Chaîne des Puys.