L’eau souterraine : de l’eau contenue dans les roches

Porosité

Les formations géologiques, des plus meubles aux plus compactes, contiennent toutes des espaces vides résiduels entre les grains ou blocs qui la constituent. La porosité (w) d’une roche correspond au ratio entre le volume des « vides » dans la roche et le volume total. Cette porosité varie de quelques pourcents dans une roche compacte et massive (par exemple, un basalte massif) à plus de 40% dans des argiles.
C’est dans ces espaces « vides » que l’eau va s’accumuler pour former les nappes.

Néanmoins, seule une partie de l’eau contenue dans les formations géologiques est disponible pour les écoulements. En effet, une partie de l’eau contenue au sein des pores est liée aux grains de la roche par des forces de capillarité. On l’appelle l’eau liée, par opposition à l’eau disponible pour les écoulements, dénommée l’eau libre.

Porosité, eau libre et eau liée (© BRGM)

Zone non saturée et zone saturée

Les formations géologiques ont deux manières principales de contenir de l’eau. La partie superficielle des terrains, où l’eau n’est présente que sous forme d’humidité, est appelée zone non saturée. Seules les plantes, grâce au pouvoir de succion de leurs racines, sont capables d’extraire de l’eau du milieu non saturé. Dans les pores des terrains superficiels (terre végétale, limons et partie altérée des roches), l’eau est présente sous forme de films ou de gouttelettes qui partagent l’espace avec de l’air. Le teneur en eau peut être très faible, quelques pourcents du volume total des vides. : on a alors l’impression que le terrain est totalement sec.

L’eau étant soumise à la gravité, la teneur en eau augmente avec la profondeur. Lorsque la totalité du volume des vides (fissures, pores des sédiments ou des roches) est rempli d’eau, on a atteint la zone saturée : c’est l’état qui règne de manière constante dans les nappes.

Schéma distinctif zone non-saturée / zone saturée (© BRGM)

Notions d’aquifère et de nappe

La roche réservoir est une formation géologique suffisamment poreuse et/ou fissurée (pour stocker de l’eau) et perméable (où l’eau circule librement), contenant de façon temporaire ou permanente de l’eau mobilisable. On ne parle d’aquifère que si la formation est capable de restituer l’eau souterraine naturellement ou par exploitation (drainage, pompage…).

La diversité des roches réservoirs, ou aquifères, combinée à celle des climats et des formes du relief, entraîne une grande variété de nappes d’eau souterraine, à la fois en taille, en profondeur et en comportement.

Les nappes d’eau souterraine ne sont ni des lacs ni des cours d’eau souterrains ; il s’agit d’eau contenue dans les pores ou les fissures des roches, saturées par les eaux de pluie qui se sont infiltrées.

Une nappe est donc l’ensemble des eaux comprises dans la zone saturée d’un aquifère, dont toutes les parties sont en liaison hydraulique.

En simplifiant, l’aquifère est le contenant (« le réservoir ») dans lequel s’écoule une nappe (le contenu).

Mur et toit des nappes, niveau piézométrique  

Toutes les formations géologiques ne sont pas aquifères. Si leurs propriétés rendent la circulation des eaux très difficile, on parle d’aquitard, d’aquiclude ou, par abus de langage, de formation imperméable (car elles contiennent de l’eau, mais qui circule beaucoup plus lentement). Les formations imperméables séparent les différents aquifères et donc les différentes nappes.

Si le contexte géologique présente une alternance verticale de couches perméables et imperméables, plusieurs nappes peuvent se donc superposer et être individualisées. Lorsque les nappes communiquent entre elles à travers les niveaux moins perméables, elles forment alors des systèmes aquifères multicouches.

La limite entre une formation aquifère et la formation imperméable sous-jacente est appelée mur de la nappe. La formation sous-jacente est couramment dénommée substratum de la nappe.

Dans une formation aquifère, le niveau de la nappe, appelé niveau piézométrique  , correspond à l’altitude de la surface de la nappe.

La limite entre une formation aquifère et la formation imperméable sus-jacente est appelée toit de la nappe. La formation sus-jacente est couramment dénommée couverture de la nappe.

Dans le cas où la formation géologique en contact avec la surface est aquifère, la nappe n’a pas de couverture et son toit est la limite entre la zone saturée et la zone non saturée.

Ce contact avec la surface est à l’origine de la distinction entre nappes libres et nappes captives.

Nappe libre et nappe captive (© J.-J. Collin, Les eaux souterraines)

En 1, la nappe est libre. En 2, elle est captive. En 3, elle est captive et artésienne (jaillissante).

Nappes libres et nappes captives

Les nappes libres communiquent avec la surface, et sont généralement peu profondes ; l’eau percole jusqu’à la nappe dont le niveau piézométrique   monte ou baisse en fonction des précipitations. Elles se renouvellent rapidement.

Les nappes phréatiques appartiennent à cette catégorie.

Schéma distinctif d’une nappe libre ou captive (source Guide pour une bonne pratique des forages en région Nord-Pas-de-Calais)

Les nappes captives sont comprises entre deux couches géologiques imperméables qui confinent l’eau sous pression. L’eau étant soumise en tout point à cette pression, supérieure à la pression atmosphérique, le niveau piézométrique   de la nappe est donc supérieur au toit de l’aquifère. Dans certains cas, le niveau piézométrique   peut être supérieur à l’altitude topographique et l’eau peut alors jaillir dans des forages dits artésiens. On parle de nappe artésienne.

Les nappes captives sont souvent profondes, jusqu’à quelques centaines de mètres voire plus. Leur alimentation provient essentiellement de la zone affleurante de l’aquifère, elles se renouvellent donc plus lentement. Lorsque moins de 5% de ces eaux sont renouvelées à l’année, ces nappes sont dites fossiles.

Forage artésien et jaillissant

La vulnérabilité des nappes

La notion de vulnérabilité repose sur l’idée que le milieu physique en relation avec la nappe d’eau souterraine procure un degré plus ou moins élevé de protection vis-à-vis des pollutions suivant les caractéristiques de ce milieu. Plus la zone non saturée est épaisse, plus elle joue un rôle épuratoire des eaux d’infiltration.