Etude des propriétés de transfert de la zone non saturée : application auxcalcaires aquitaniens de l’aquifère de Beauce

Caracterisation of transfer properties of the Vadose Zone : Application in the Beauce aquitanien limestone aquifer

• Auteur / Autrice : Carlos Aldana
• Direction : Ary Bruand, Yves Coquet
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Géosciences
• Date : Soutenance le 17/06/2019
• Etablissement(s) : Orléans
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Énergie, Matériaux, Sciences de la Terre et de l'Univers (2012-.... ; Centre-Val de Loire)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut des sciences de la terre d'Orléans (2010-....)
• Jury : Président / Présidente : Isabelle Cousin
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Ary Bruand, Yves Coquet, Isabelle Cousin, Christelle Marlin, Claude Hammecker, Laurent Lassabatère
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Christelle Marlin, Claude Hammecker

Mots clés

Mots clés contrôlés

Beauce (France)

Calcaire

Marne (minéralogie)

Zone d'aération

Mots clés libres

Zone non saturée

Aquifère

Calcaire

Propriétés hydriques

Marne

Roche calcaire

Sol argilo‐limoneux

Système triaxial non conventionnel

Vadose zone

Aquifer

Limestone

Hydraulic Properties

Marl

Limestone

Silty clay soil

Unconventional triaxial system

Résumé

L’aquifère calcaire de Beauce a été étudié au cours des dernières décennies. Cependant, la plupart des études ont concerné les tous premiers mètres de la zone non saturée (ZNS) (0 à 3 mètres) et/ou la zone saturée de l’aquifère. Les processus d’écoulement, à travers la ZNS, largement stratifiée, ne sont pas bien compris. De nombreux auteurs ont souligné son hétérogénéité, aussi bien latérale que verticale, avec des lithologies assez variables. L’accès à toute la ZNS reste un enjeu majeur, dont les principales difficultés sont techniques et économiques. L’objectif général de ce travail de recherche est de contribuer à une meilleure compréhension des mécanismes de transfert de l’eau au sein de la ZNS des calcaires aquitaniens de l’aquifère de Beauce. Cette ZNS va de la surface du sol jusqu’à une profondeur d’une vingtaine de mètres. Au droit du site d’étude retenu (lieu‐dit « les Hôtels »), la nappe s’établissait à 18,3 m en mars 2017. L’échantillonnage de la zone d’étude a été réalisé via une campagne de carottage au terrain. Trois sondages carottés d’une profondeur de 20 m ont permis de recueillir suffisamment d’échantillons intacts pour pouvoir réaliser un certain nombre de caractérisations physiques, physicochimiques, minéralogiques et hydriques. Pour l’étude des propriétés de transfert de ces échantillons, un dispositif expérimental de type triaxial a été conçu pour la mesure des propriétés hydriques avec la méthode multi‐step de débit d’extraction. Les caractéristiques de rétention en eau ont été comparées à celles mesurées par la méthode de la presse de Richards, et complétées par des mesures dans la gamme de pF 3‐6, réalisées à l’aide du dispositif WP4C. La conductivité hydraulique à saturation des facies sableux et sablo‐marneux sont les plus élevées parmi les faciès de la ZNS à exception des certains échantillons de roches micro‐fissurées. Les valeurs plus faibles ont été observées pour le sol limonoargileux et pour les faciès de marne. La rétention en eau la plus élevée est celle mesurée pour les sols. Les valeurs les plus faibles correspondent à la roche. Les faciès de roche calcaire se désaturent très rapidement lorsque le potentiel matriciel diminue, ce qui engendre une diminution brutale de la conductivité hydraulique. Nos résultats montrent que les premiers mètres de la ZNS représentent une zone où l’écoulement (vertical) vers la nappe est relativement lent, mais, à partir d’environ 7 mètres de profondeur, le transport de l’eau est beaucoup plus rapide étant donné la présence de fissures et fractures.

The Beauce limestone aquifer has been studied in recent decades. However, most of the studies concerned the very first meters of the unsaturated zone (VZ) (0 to 3 meters) and / or the saturated zone of the aquifer. The flow processes, through the widely stratified VZ are not well understood. Many authors have emphasized its heterogeneity, both lateral and vertical, with quite variable lithologies. Access to the entire VZ remains a major issue, whose main difficulties are technical and economic. The goal is to contribute to a better understanding of the mechanisms of water transfer within the VZ of the lime Beauce aquifer. This VZ goes from the surface of the ground to a depth of about twenty meters. In the area of interest (lieu‐dit “les Hôtels"), the water table was found at 18.3 m depth in march 2017. Sampling of the unsaturated zone was carried out via a coring campaign. Three wells were cored from surface up to a depth of around 20 m. Sampling of the VZ allowed to perform physical, physicochemical, mineralogical and hydraulic characterizations of the unsaturated material. To study the transfer properties of these samples, a triaxial system was set up to measure hydraulic properties using the multistep outflow method. The water retention curves were compared to those measured by the temp cell method (Richards method), and supported by measurements in the pF 3‐6 range, performed using the WP4C device. The saturated hydraulic conductivity values of sandy and sandy‐marly samples were the larges among all unconsolidated materials of the vadose zone of the aquifer. Rock samples having micro‐fissures and fractures showed the largest values of saturated hydraulic conductivity. Lower values were observed for loamy clay soil and for marl samples. The highest water retention is that measured for soils. The lowest values correspond to the rock. Rocks samples drain very rapidly when the matrix potential decreases, which causes a sudden decrease in the hydraulic conductivity. Our results show that the first meters of VZ represent an area where the (vertical) flow towards the aquifer is relatively slow, but, from about 7 meters deep, water transport is much faster due to the presence of cracks and also due.