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Estimation de la sensibilité en domaine de socle :
 
Fonctionnement des aquifères de socle
Evaluation du niveau moyen de la nappe
Evaluation de la fluctuation de la nappe
En l’état actuel des connaissances, un système aquifère en domaine de socle est à la fois un réservoir capable d’emmagasiner de l’eau provenant des pluies infiltrées, et un système conducteur permettant à cette eau de s’écouler en profondeur et de vidanger progressivement ce réservoir vers ses exutoires naturels que sont les rivières.
1. Le fonctionnement des aquifères de socle.
La conception moderne du fonctionnement des aquifères de socle conjugue donc ces deux fonctions, qui sont le plus souvent séparées :
  • le rôle de réservoir est assuré principalement par les produits de l’altération de la roche en place, développée depuis le niveau du sol jusqu’à parfois plusieurs dizaines de mètres de profondeur (ce qu’on appelle les altérites, composées de matériaux argileux et sableux) ;
  • le rôle de système conducteur est assuré surtout par le réseau de fissures et de fractures existant plus bas que les altérites, dans la roche « saine », ou moins dégradée par l’altération. En domaine de socle les eaux souterraines sont donc situées au sein de deux unités aquifères superposées en contact permanent : celui des altérites et celui du milieu fissuré. Dans les socles anciens (comme par exemple le Massif armoricain), les roches généralement métamorphiques ou intrusives, sont massives et imperméables. La présence éventuelle d'eau souterraine dépend des modifications physiques subies par ces roches postérieurement à leur formation, et notamment des phénomènes de fracturation et d’altération.
  • fracturation
    Schéma conceptuel moderne d’un système aquifère de socle
    (Wyns, Lachassagne & al)

    La fracturation favorise la circulation des eaux lorsque ces fractures sont ouvertes. L'altération par les précipitations a eu pour effet de développer une couverture meuble (les altérites) plus ou moins poreuse et, sous cette couverture meuble, une fissuration intense permettant le drainage de ces formations meubles
    Les zones où préexistaient des réseaux de fracture d'origine tectonique permettant la circulation de l'eau ont constitué des lieux privilégiés où l'action de l'altération a été décuplée. L’addition de la fracturation tectonique, de l’altération et de la fissuration a conduit à la formation de couloirs fracturés et fissurés où l'altération a pénétré plus profondément.
    Ces couloirs constituent des drains privilégiés pour l'eau souterraine. Comme ils constituent des zones de faiblesse, ils ont été fréquemment empruntés par l'érosion lors du creusement des vallées, et se présentent dans le paysage actuel sous la forme de dépressions allongées gouvernant souvent les écoulements visibles en surface (thalwegs, vallées).

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    2. Evaluation du niveau moyen de la nappe en domaine de socle
    En l’absence de cartes piézométriques sur les zones de socle, l’altitude du toit de la nappe (ce qu’on appelle la piézométrie) a été modélisée en prenant comme référence le Modèle Numérique de Terrain (MNT) provenant de l’Institut Géographique National).
    talwegs
    Schéma d'évaluation du niveau moyen de la nappe de socle

    Les niveaux d’eau ont été fournis par des mesures de la profondeur du niveau de nappe dans les forages, mais aussi par l’altitude du fond des thalwegs au droit des rivières permanentes. La méthode mise en œuvre pour estimer « la cote de la surface piézométrique en tous lieux d’un secteur de socle» a été mise au point et validée pour les contextes de socle altéré (Wyns et al, 2004).
    En contexte de nappe libre, où la nappe fournit aux rivières les débits d’étiage, on peut considérer que les rivières permanentes représentent des segments d’affleurement de la surface piézométrique. Dans un secteur de socle donné, ces segments appartiennent donc tous à ce que l’on peut appeler la «surface enveloppe des rivières pérennes» (en trait noir sur la figure). Les rivières représentant les points bas de la nappe, la surface piézométrique remonte sous les plateaux lorsque l’on s’écarte des vallées. La surface piézométrique est donc toujours comprise entre la surface topographique (sol sur la figure) et la «surface enveloppe des rivières pérennes».
    Une corrélation linéaire relie d’une part la différence entre l’attitude du sol et celle de la surface enveloppe des rivières (distance «a» sur la figure) et d’autre part la différence entre l’altitude de la surface piézométrique et celle de la surface enveloppe des rivières (distance «b» sur la figure).

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    Corrélation
    : Droites de corrélation altitude rivières-piézo, d'après Wyns
    L’équation de la droite de régression reliant les valeurs a et b permet en tout point de calculer l’altitude de la piézométrie, à partir d’une grille représentant le MNT et d’une grille représentant l’altitude de la surface enveloppe des rivières. On peut donc aussi calculer en tout point l’épaisseur de ce qu’on appelle la Zone Non Saturée (ZNS), qui est la distance entre le sol et le niveau moyen de la nappe.
    La pente de la droite de régression est inversement proportionnelle à la perméabilité en grand du massif. Ainsi dans le cadre de l’étude en domaine de socle, pour l’ensemble du massif Cadomien breton, sur chaque bassin versant la surface enveloppe des rivières pérennes a été obtenue de la manière suivante :
    • à partir du réseau hydrographique pérenne issu de la BD Carthage , par échantillonnage d’un point tous les 50 mètres linéaires,
    • par croisement du semis de points avec le MNT pour obtenir l'altitude des points représentatifs du réseau hydrographique pérenne,
    • par analyse variographique et krigeage de l'altitude de ce semis de points : on obtient une grille représentant l'altitude de la surface-enveloppe du réseau hydrographique pérenne.
    Cette méthode permet d’obtenir un niveau moyen de la nappe en domaine de socle, mais en aucun cas une fluctuation de cette nappe.
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    3. L’évaluation de la fluctuation de la nappe en domaine de socle
    Pour calculer un indice de sensibilité à une remontée de nappe, l’estimation de la fluctuation saisonnière de l’aquifère est nécessaire, comme d’ailleurs dans la méthodologie des aquifères sédimentaires.
    Battement
    tentative pour distinguer une variation piézométrique en domaine de socle
    En l’absence de chroniques piézométriques en nombre et en densité suffisants, une approche indirecte a été utilisée, basée sur une observation liée au fonctionnement en haute eaux des bassins versants :
    • Sur certaines cartes topographiques les tracés des rivières, dans leur partie amont non permanente, sont indiqués par un figuré en pointillé ;
    • Cela se traduit par le fait qu’en période de hautes eaux, on assiste à la mise en eaux des thalwegs dans leur partie amont, aux endroits où les cours d’eau ne sont habituellement pas permanents. La surface piézométrique de l’aquifère de socle passe d’un niveau inférieur (en bleu clair sur la figure) à un niveau maximal de hautes eaux (en bleu foncé), la différence de niveau correspond donc à un battement annuel. Le pointillé de la carte correspond à cette variation de cote de la nappe.
    L’écart observé entre la surface piézométrique de hautes eaux et celle calculée pour les rivières pérennes, n’est donc malheureusement appréciable qu’en tête de cours d’eau, et la différence de cote n’est pas très précise. De plus il n’est possible de l’apprécier par cette méthode qu’à partir de cartographie vectorisée qui identifie précisément les parties temporaires des cours d’eau en tête de bassin.
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    résultat du traitement sur le socle du massif armoricain
    En appliquant le même principe pour le calcul de la sensibilité en secteur de socle que celui adopté pour le sédimentaire, :
    La figure suivante représente le résultat de la méthode sur le département du Finistère.
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