Origine et dynamique de salinité des aquifères fracturés cristallins de la région semi-aride du Ceará, Brésil

Origin and dynamics of the salinity in crystalline fractured aquifers of the semi-arid region of Ceará, Brazil

• Auteur / Autrice : Marjorie Kreis
• Direction : Jean-Denis Taupin, Eduardo Sávio Passos Rodrigues Martins
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de l'Eau
• Date : Soutenance le 21/07/2021
• Etablissement(s) : Montpellier en cotutelle avec Universidade federal do Ceará
• Ecole(s) doctorale(s) : GAIA (Montpellier ; École Doctorale ; 2015-...)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : HydroSciences (Montpellier)
• Jury : Président / Présidente : Ticiana Marinho de Carvalho Studart
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jean-Denis Taupin, Eduardo Sávio Passos Rodrigues Martins, Julio Gonçalvès, Didier Gastmans, Christian Leduc
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Julio Gonçalvès, Didier Gastmans

Mots clés

Mots clés contrôlés

Hydrogéologie

Aquifères

Ceará (Brésil ; État)

Rupture

Roches cristallines

Mots clés libres

Roches cristallines

Aquifères fracturés

Semi-Aride

Salinisation

Isotopes stables (18O. 2H)

Datation multi-Traceurs (3H. 14C. CFC. SF6)

Crystalline rocks

Fractured aquifers

Semiarid

Salinization

Stable isotopes (18O. 2H)

Multi-Tracer Dating (3H. 14C. CFC. SF6)

Résumé

La forte salinité des eaux souterraines observée dans les roches cristallines du socle dans le nord-est du Brésil semi-aride a stimulé la recherche depuis les années 1960. La présente étude utilise des méthodes hydrodynamiques (données piézométriques mensuelles et horaires) et hydrochimiques (CE, ions majeurs, Cl/Br, éléments traces) en plus d'une vaste investigation analytique basée sur une approche multi-traceurs (180, 2H, 3H, 14C, CFC, SF6) pour identifier l'origine des sels, caractériser les processus de recharge et de circulation et déterminer les mécanismes qui conduisent à la salinisation des aquifères cristallins des régions semi-arides. Le suivi piézométrique a souligné la forte réactivité des aquifères aux précipitations et suggère que la recharge de la nappe dépend des événements pluvieux significatifs de la saison des pluies qui ont probablement favorisé la création de ruissellements et l'accumulation d'eau de surface. En effet, l'investigation menée avec plus de 500 analyses en isotopes stables a mis en évidence que cette recharge se fait par des infiltrations directes avec une proportion plus ou moins significative d'infiltrations indirectes d’eaux de surface évaporées. Même s'il n'y a pas de relation directe entre la pluie totale annuelle et la recharge des aquifères, l'étude a montré que la recharge saisonnière est faible, de l'ordre de 1 à 6 % de la pluie annuelle (≈10 à 40 mm/an). Les aquifères cristallins sont caractérisés par de faibles transmissivités (valeur médiane autour de 3,10-6 m²/s), porosités (< 0,5%) et perméabilités (de l'ordre de quelques centimètres par jour). La compartimentation latérale des aquifères est réduite (absence d'écoulement régional). L'analyse multi-traceurs a souligné que les temps de résidence des eaux souterraines sont courts (de quelques dizaines à centaines d'années, avec une contribution importante d’eau post-1950) et que les processus de circulation sont rapides. Il s'agit toutefois d'âges apparents car en réalité, les flux de circulation dans les aquifères fracturés sont beaucoup plus complexes et sont essentiellement composés par des flux saisonniers d'infiltration verticale (directe et indirecte) et des flux horizontaux de transit plus long (infiltration anté-1960). Ainsi, en plus d'une forte hétérogénéité spatiale, une forte stratification verticale est observée dans le socle fracturé cristallin (augmentation de la CE de l'eau avec la profondeur des fractures). Les eaux sont caractérisées par des concentrations en chlorures élevées (jusqu'à 5 g/L), des faciès essentiellement chlorurés (mixtes ou sodiques) et des CE variant de 890 à 19300 µS/cm. L'étude chimique suggère que les eaux, originellement de faciès bicarbonatés, sont devenues chlorurées en raison de la dissolution et du lessivage de sels (calcite, dolomite, gypse, halite et probablement MgCl2) qui ont précipité dans le sol, la ZNS et/ou les sédiments en raison des forts taux d'évapotranspiration (ETR) des pluies et des eaux de surface. Cependant, les modélisations ont montré que l'aridité climatique et les forts taux d'ETR ne peuvent pas conduire à une forte salinisation de la nappe sur une période de temps de l'ordre d’une centaine d'années, mais conduisent à des concentrations en chlorures de l'ordre de quelques dizaines de mg/L, 100 à 200 mg/L tout au plus. Ainsi, les simulations ont montré que le seul facteur capable de provoquer une forte salinisation est la présence de conditions endoréiques souterraines, dues à la transpiration de l'aquifère par les racines des arbres de la Caatinga avec un taux de près de 100% de la recharge annuelle, ce qui implique qu'il n'y a plus de relation directe entre l'âge apparent de l'eau et l'accumulation de sels dans l'aquifère. Les simulations suggèrent que les aquifères seraient dans une dynamique actuelle de désalinisation en raison de la déforestation de la Caatinga, et ce malgré l'influence d'infiltration d’eau évaporée dans les processus de recharge.

The high levels of groundwater salinity of groundwater observed in the crystalline basement rocks in semi-arid NorthEastern Brazil stimulated research since the 1960s. The present study uses hydrodynamic (monthly and hourly piezometric data) and hydrochemical (Electrical Conductivity-EC, major ions, Cl/Br, trace elements) methods in addition to a wide analytical investigation based on a multi-tracer approach (180, 2H, 3H, 14C, CFC, SF6) to identify the origin of the salts, characterize the recharge and circulation processes, and determine the mechanisms that lead to the salinization of the groundwater contained in the crystalline rocks of semi-arid regions. The piezometric survey revealed the high reactivity of the aquifer to precipitation and suggests that the recharge of the aquifers depends on significant rainy events that may have favored runoff and surface water accumulation. Indeed, the investigation carried out with more than 500 stable isotopes analyses (monthly and/or daily data) showed that this recharge occurs through direct infiltrations, with a more or less significant proportion of indirect infiltration of evaporated surface water. Even if there is no direct relationship between the total annual precipitation and the aquifer’s recharge, this study showed that the seasonal recharge is weak and of the order of 1 to 6% of the annual rainfall (≈10 to 40 mm/year). The crystalline aquifers are characterized by low transmissivities (median value around de 3.10-6 m²/s), low porosities (< 0,5%), low hydraulic conductivity (in the order of a few centimeters per day) and a strong lateral compartmentalization (absence of regional flow). The multi-tracer analysis highlighted that groundwater residence time is short (from a few decades to hundreds of years, with a large contribution of post-1950 water) and that the circulation processes are fast. However, this estimate is an apparent age resulting from complex circulation flow patterns in fractured aquifers, because flows are essentially composed of seasonal vertical infiltration flows (direct and indirect) and horizontal flows of longer transit time (infiltration before the 1960s). Thus, in addition to a strong spatial heterogeneity, a strong vertical stratification is observed in the fractured crystalline basement (increase of the water’s EC with the fracture’s depth). Waters in the study are characterized by high chlorides concentrations (up to 5 g/L) and essentially show mixed-chloride or sodium-chloride facies, with EC ranging from 890 to 19300 µS/cm. The chemical study suggests that the waters, originally bicarbonated, became chlorinated due to the dissolution and leaching of salts (as calcite, dolomite, gypsum, halite and probably MgCl2) that precipitated in the soil, in the unsatured zone and/or in the sediments, due to the strong evapotranspiration rates of rainfall and surface waters. However, simulations have shown that climatic aridity and strong evapotranspiration rates cannot lead to a strong salinization of the groundwater over a period of time of the order of hundreds of years, but to chloride concentrations in the order of a few tens of mg/L, 100 to 200 mg/L at most. Thus, simulations showed that the only factor that is capable of causing a strong salinization of the aquifer, with concentrations of the order of a few g/L, is the presence of subterraneous endorrheic conditions due to the transpiration of the groundwater by the deep roots of the Caatinga tree layer, with an evapotranspiration rate of almost 100% of the annual recharge, which implies that there is no longer direct relationship between the apparent age of the waters and the accumulation of salts in the aquifers. Simulations suggests that aquifers would be in a current dynamic of desalination due to the deforestation of the Caatinga tree layer, and this, despite the influence of the infiltration of evaporated water in the recharge processes.