Quantification de la distribution des vitesses d’écoulement dans l’aquifère fracturé de la craie de Champagne par multitraçages élémentaires et isotopiques

Quantifying the distribution of flow velocities in the fractured Champagne Chalk aquifer by elementary and isotopic multitracing.

• Auteur / Autrice : Loïs Dufour
• Direction : Sophie Violette
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Sciences de la Terre et de l'environnement
• Date : Inscription en doctorat le ; Soutenance le 17/11/2023
• Etablissement(s) : Université Paris sciences et lettres
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la terre et de l'environnement et physique de l'univers (Paris ; 2014-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de Géologie de l'Ecole Normale Supérieure
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : LRC Yves Rocard - ENS/CEA
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Ecole normale supérieure
• Jury : Président / Présidente : Éric Pili
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Sophie Violette, Christelle Marlin, René Therrien, Jérôme Fortin, Anne Jost, Florent Barbecot
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Christelle Marlin, René Therrien

Mots clés

Mots clés libres

Hydrogéologie

Double milieu

Expérimentation multitraçage géochimiques et isotopiques

Modélisation numérique

Hydrogeology

Double media

Geochemical and isotopical tracing

Numerical modelling

Résumé

D'un point de vue hydrogéologique, l'aquifère de la Craie est connu comme un « double-milieu », car l'eau y circule simultanément dans les fractures et dans la matrice poreuse. L'objectif de la thèse est d'améliorer la compréhension de l'écoulement de l'eau et du transport de traceurs dans une zone de 10 km², dans une formation de Craie du Crétacé supérieur située en Champagne, et présentant une forte hétérogénéité de fracturation. Elle cherche en particulier à répondre à deux questions : - Comment se distribuent les vitesses d'écoulement et de transport dans cette zone ? - Quel est le rôle joué par la fracturation sur ces vitesses ? Pour répondre à ces questions, nous employons principalement quatre méthodes : des estimations des temps de résidence de l'eau par l'étude de traceur environnementaux, des développements analytiques fondés sur une conception théorique des processus physiques en jeu, des traçages artificiels en nappe, et de la simulation numérique réalisée à l'aide du code hydrogéologique MÉTIS. Des études préalables à la thèse s'appuyant sur des diagraphies et des essais de pompages, avaient déjà mis en évidence l'hétérogénéité de la fracturation et ses effets sur la conductivité hydraulique : celle-ci varie de 10^-8 m/s au niveau des collines à 10^-3 m/s au fond des vallées – ce au sein d'une même formation géologique. La datation des eaux, réalisée à l'aide de plusieurs traceurs de datation (CFC-12, tritium, krypton-85, rapport tritium/hélium) a montré que les temps de résidence dans l'eau de nappe sont en premier lieu contrôlés par la profondeur du prélèvement. Avec des temps de résidence allant de 10 ans en surface de la nappe, à 80 ans pour le prélèvement le plus profond. Deux traçages artificiels ont été réalisés. Le premier, en zone peu fracturée, a montré une vitesse naturelle d'advection du traceur de 0,5 m/an ; le second, en zone fortement fracturée, a montré une vitesse de 8 m/jour, soit 6000 fois plus rapide, ce qui démontre un impact très important de la fracturation sur la vitesse de transport. Enfin, nous avons utilisé Métis pour simuler l'écoulement et le transport. En ce qui concerne l'écoulement, les ajustements de la conductivité hydraulique et des propriétés de rétention dans la Craie à l'aide des chroniques piézométriques sont cohérents avec les observations de terrain. Ainsi les oscillations piézométriques sont fortement amplifiées (>10m) du fait de la très forte rétention capillaire dans la Craie non saturée – un phénomène contre-intuitif au premier abord, mais dont nous expliquons les mécanismes. En ce qui concerne le transport, le modèle a permis de mettre en évidence des phénomènes de mélange, en particulier dans la zone plus fracturée en aval de l’écoulement, où les eaux d’origine météorique se déplaçant vers le bas rejoignent les eaux souterraines se déplaçant horizontalement. La quantification de ces phénomènes de mélange éclaire l’interprétation des données géochimiques. Nous pouvons finalement conclure sur des vitesses d'écoulement essentiellement comprises entre 0,3 et 45 m/an (1er et 9ème déciles des résultats du modèle), avec un effet très visible des fractures aussi bien sur l'écoulement que sur le transport.

From a hydrogeological point of view, the Chalk aquifer is considered a ‘’double-media’’, since water simultaneously flows within the fractures and the porous matrix. Aim of the PhD is to improve the understanding of water flow and tracers transport in a 10 km², in an upper Cretaceous chalk formation located in Champagne region (France), and has a highly heterogeneous fracture density. It aims more specifically to answer two questions: - How flow and transport speeds are distributed in this zone? - What role does the fractures play on these speeds? To answer these questions, we mainly employ four methods: estimating groundwater residence time through the study of environmental tracers, analytical developments based on theoretical conception of physical processes involved, artificial tracer tests in the aquifer, and numerical simulation carried out using the hydrogeological code Métis. Previous research based on well loggings and pumping tests had already highlighted the heterogeneous fracture density and its effect on hydraulic conductivity, which ranges from 1e-8 m/s on hilltops to 1e-3 m/s in the valleys – within the same geological formation. Groundwater dating, using several time tracers (CFC-12, tritium, krypton-85, tritium/helium ratio) showed that groundwater residence times are primarily controlled by sampling depth, with residence times ranging from 10 years near the surface to 80 years for the deepest sampling. Two artificial tracer tests were conducted. The first one, in the sparsely fractured zone, showed a natural advection speed of the tracer of 0.5 m/year; the second one, in the densely fractured zone, showed a speed of 8m/day, which is 6,000 times faster. This highlights a great impact of fractures on transport speed. At last, we used Métis to simulate flow and transport. Regarding flow, the adjustments of hydraulic conductivity and retention properties in the chalk based on piezometric records are consistent with field measurements. It is observed that piezometric oscillations are greatly amplified (>10m) because of the huge capillarity in unsaturated chalk. We present a theory explaining this at first sight counter-intuitive phenomenon. Regarding transport, the model highlights mixing processes, particularly in the densely fractured downstream zone, where the rainwater flowing downward meets groundwater flowing horizontally. Quantifying these mixing phenomena clarifies the interpretation of geochemical data. We can finally conclude with flow speed mostly ranging between 0.3 and 45 m/year (1st and 9th decile of model results), with a highly distinctive effect of the fractures, on both flow and transport.