Eaux souterraines : pourquoi faut-il les étudier et les préserver dans un contexte d'anthropisation généralisée et des effets possibles du changement climatique ? En outre, il est essentiel de mener des études approfondies sur les aquifères peu profonds (les premiers 1000m), qui sont des réservoirs souterrains d'eau douce. Les aquifères jouent un rôle crucial dans l'approvisionnement en eau potable à travers le monde, car ils stockent une grande quantité d'eau dans le sol. Cependant, leur utilisation excessive et non durable peut entraîner l'épuisement de ces ressources précieuses. Les études sur les aquifères nécessitent des techniques avancées telles que la modélisation hydrogéologique, l'analyse des isotopes de l'eau et l'utilisation de capteurs pour mesurer les niveaux d'eau souterraine. Ces techniques permettent de recueillir des données précises sur la quantité d'eau stockée, les débits souterrains et la qualité de l'eau. Ces informations sont essentielles pour évaluer l'état des aquifères et prendre des décisions éclairées en matière de gestion de l'eau. En fin de compte, l'étude des aquifères est indispensable pour assurer la durabilité de l'utilisation de l'eau souterraine et garantir un approvisionnement en eau potable adéquat à long terme. En combinant les connaissances scientifiques avec des politiques de gestion efficaces, il est possible de préserver ces ressources vitales et de relever les défis mondiaux liés à l'eau douce. Dans ce nouvel épisode, le Dr Jean-Denis Taupin, spécialiste en géochimie de l’eau bien connu dans son domaine vous offre une présentation sur les défis à relever pour préserver nos précieuses eaux souterraines dans un contexte d'anthropisation croissante et de changement climatique à venir. Êtes-vous sûr? ÉDITER Pour contacter le Dr Jean-Denis taupin http://great-ice.ird.fr/membres-et-partenariats/membres-permanents/jean-denis-taupin Au cours de la présentation, le Dr Taupin présentera des méthodologies géochimiques utilisées dans l'étude des aquifères, suivi par des exemples atypiques d'étude de cas basés sur ses projets. Avec plus de 30 ans d'expérience en géologie et des dizaines d'articles de recherche publiés dans des journaux scientifiques internationaux, le Dr Taupin est un conférencier demandé qui saura captiver votre attention.

1. Eaux souterraines pourquoi il faut les étudier et les
préserver dans un contexte d'anthropisation
généralisée et des effets possibles du changement
climatique : les outils géochimiques, diagnostique
de l’état des aquifères, mise en évidence des
processus naturels et anthropiques et âge de l'eau
pour une meilleure gestion de la ressource..
Dr Jean-Denis Taupin
IRD- Institut de Recherche pour le Développement
UMR Hydrosciences
Maison des Sciences de l'eau, Montpellier, France
Responsable Scientifique du LAMA-Laboratoire d’Isotopes Stables
Expert AIEA sur la thématique des eaux souterraines
Séminaire Epistémé Entrepreneur 30 juin 2023

2. L’eau est au centre des activités de l’homme
Ø :
alimentation
transport
activités urbaines
activités agricoles
depuis le début de l’humanité…

3. Répartition de l’eau sur terre

4. Dis c’est quoi un aquifère?
C’est un corps géologique perméable qui repose sur une formation
imperméable et qui a une zone saturée d’eau très conductrice
permettant un deplacement de l’eau (flux)
Structure et texture géologique p=0,3%-15% =>Relation avec
l’hydrodynamique.. Aspect physique du système

5. Différents types d’aquifère
Source https://sigesbre.brgm.fr/Qu-est-ce-qu-un-aquifere.html

6. Le type de roche va définir la vitesse du flux, sa capacité, la
possibilité de prendre sur la ressource et sa capacité à se
renouveller (recharge)

7. Dans l’aquifère/ZNS toute l’eau n’est pas mobilisable èPhysique de l’aquifère
9460 km/an
19 km
9,46m
1,5 mm

8. libre ou captif?
è Relation à l’hydrodynamique les contraintes de flux étant
différent à Patm et sous pression
Source Coursgeologie.com

9. Les outils géochimiques
Chimie des majeurs => processus de minéralisation
Chimie des traces => recherche d’anomalie
Chimie des composés => organique et minérale
Géochimie isotopique stable => origine de l’eau
Géochimie isotopique radioactif => datation
Gaz rares => paléoclimatologie
Gaz anthropiques => datation

10. Une eau c’est H2O + ….
Constituants inorganiques
Majeurs (9/10 charge minérale)
•> 1 mg/L
•Bicarbonates (HCO3
- ), SO4
2-, Cl-,
NO3
-,
Ca2+, Mg2+, Na+, K+, H4SiO4, H2CO3
– Mineurs
•< 1 mg/L
•F-(á), Br-, CO3
2-, Fe2+, Sr2+, PO4
2-…
– Traces :
•< 1 µg/L
•Toute la classification périodique
Constituants organiques
COD (0.1-10 mg/L) / COP
Source de C, H, N, O
Acides humiques &
fluviques
Gaz dissous f(T)
N2, O2, CO2, CH4, H2S, NO2
O2 è processus d’oxydo-réduction
Loi de Henry
Gaz rares (Ar, Xe, He, Kr,
Ne) 222Rn…
La composition de l’eau
èmarqueurs de qualité, de processus eau-roche, d’évolution au sein
de l’aquifère, de contamination naturelle et/ou anthropique
è recherche d’anomalies chimiques naturelles ou anthropiques
permettant la mise en évidence de ces processus de minéralisation

11. Les activités humaines peuvent générer de la contamination
https://books.gw-project.org/
Tubage enterré eau potable et eaux usées
Flux de lisier sans traitement
Épandage agricole
Solvants industriels et dégraisseurs
Peintures et dissolvants
Stations d’essence abandonnées
Terminaux pétroliers
Remblais de construction
Dépôt de déchets en tout genre
Terrils miniers
Résidus de traitement du minerai

12. Transport de la surface vers les niveaux plus profonds ZNS et ZS par
infiltration créant une plume de contamination qui avec le temps va
se disperser dans l’aquifère è Pb.. Persistance de cette pollution
https://www.ctech.com/products/entervol-product-2/

13. (Bioremédiation, pompage, oxydo reduction..) pb de coût..!!!

14. La minéralogie des roches est un système organisé
è l’eau dans ces aquifères est majoritairement
bicarbonaté-calco-magnésien

15. Un échange eau-roche très organisé? Le système silicaté

17. => Ca, Mg,(Na), HCO3

18. Karst. H2O + CO2 è H2CO3. => dissolution
=> Ca, Mg, HCO3

19. Roches évaporitiques issues de l’évaporation d’eau marine ou continentale
=> Na, Ca, Cl, SO4

20. Cycle hydrochimique
dans le sol
G a ses a t m os f é r i co s
Dis olu ci ó n
O xi do -re du cc i ó n
So rci ó n
Precipita ci ó n
Co nce n tr aci ó n
Dis o lu c i ó n
Ox ido -re du cci ó n
S orc i ó n
Pr e c ipitaci ó n
D iso lu ci ón de g as es
Intru s i ón s alina
N ivel Fre á tico
F raccion am ien to qu ím ic o
Origine des solutés dans l’eau souterraine :
Entrées depuis la précipitation:
Sels marins
Poussières d’origine continentale
Contamination anthropique
Incorporation durant la météorisation et processus d’interaction eau-roche
avec la matrice de l’aquifère
Mélange d’eaux de différentes origines
Interconnexion avec aquifères ou eaux superficielles
Diffusion à partir des acuitards
•Composition de l’eau de pluie: évaporation
et transpiration
•Capture sélective des ions par la végétation
•Dissolution de gaz atmosphériques
•Météorisation et dissolution de carbonates,
silicates, etc.
•Précipitation de minéraux
•Réactions d’échange ionique
•Mélange d’eaux
•Conditions de flux souterrain
•Actions anthropiques

21. Conductivité (TDS =minéralisation; TDS = K*c (0,65<K<0,95)
c = 0.005 µS/cm eau déminéralisée
10 < c < 80 µS/cm pluie
30 < c <300 µS/cm eau en contact avec roches silicatées (faible)
300 < c < 1000 µS/cm eau en contact avec roches carbonatées (median)
1000 < c < 3000 µS/cm eau thermal, évaporée
c > 30000 µS/cm eau de mer
Gamme de valeurs de minéralisation attendue
En dehors de cette gamme è anomalie et donc un
processus particulier à déterminer, rôle de la chimie
des majeurs

22. Contamination anthropique
Les origines de contamination sont multiples, majeurs, traces, organiques
3 sources importantes, l’agriculture, les zones urbaines et les mines.

24. Processus conduisant à une augmentation de la
minéralisation.. vers une salinisation
- Contexte géologique favorisant la dissolution - formation évaporitique.
- Dissolution de sels contenu dans une formation sédimentaire marine ou
mélange avec des saumures contenus dans la formation.
- Mélange eau douce/eau salée par intrusion marine.
- Faible transmissivité de l’aquifère favorisant la dissolution.
- Temps de résidence long (Wright 1992).
- En zone semi aride et aride, évaporation de la zone non saturée ayant comme
conséquence une concentration des sels dans la ZNS au cours de la saison
sèche puis redissolution au cours de la saison humide (Adams et al. 2001).
- En zone côtière, apports par la pluie d’embrun marin ou en zone séche apport
de dépôts secs facilement soluble (Akiti 1980 ; Wang et al. 2013).
- Apports d’origine hydrothermale (Traoré 1985).
- Remontée d’eau saline d’origine profonde vers la surface à partir de failles
(Barroll et Reiter 1990, Benderitter et Elsass 1995, Stober et al.1999).
- Interaction de la nappe avec des éléments minéraux riches en ion Cl- dans la
roche encaissante (échange anionique avec groupe hydroxyle - Kourdian 2002)
ou lessivage des inclusions fluides.
- Evaporation directe de la nappe.

25. Equation de Ghyben-Herzberg
Salinisation des aquifères par intrusion marine

26. TDS map, Potentiometric surface map of Grombalia aquifer in 2020 (b): Potentiometric surface maps showing
the evolution of piezometric level of Grombalia aquifer between 2020 and 2004.
Eya Ben Saad et al. 2023.
submited to Hydrology
Un exemple en Tunisie

27. X
A
proton + neutron number
Z
electron number
element symbol
Cl
35
17
A3
A2
X
A1
Z X
Z X
Z
Stables %
35Cl 75.78 37Cl 24.22
radioactif
36Cl 301000 y 38Cl 37.2 m
39Cl 55.6 m 40Cl 1.38 m
41Cl 34 s 42Cl 6.8 s
43Cl 3.3 s
28 -29 -30 -31 -32 -33 -34 -44 -45 -46 -47 -48 -49 -50 -51
(277)
(>2500)
Elément chimique
Isotope d’un élément chimique
Dis c’est quoi un isotope?

28. Se habla de 92 elementos naturales, 79 estables y 13 radioactivos, pero los elementos 43, 61, 85
(Technetium, Promethium, Astatine) son producidos artificialmente
A partir del elemento 84 todos son radioactivos.
A partir del elemento 112, susceptibilidad de existencia

29. gaz nobles
concentration ! temperature de paleorecharge
Helium
Neon
Krypton
Argon
Xenon
Isotopes stables
Deuterium
Oxygène 18
Carbone 13
Azote 15
Soufre 34
Bore 11
Lithium 6
Chlore 37
Plomb 204, 206
Brome 79, 81
Les isotopes environnementaux
Isotopes radioactifs
Carbone 14 5730 year s
Tritium 12,32 years
Chlore 36 301000 y ears
Krypton 85 10,73 years
Argon 39 268 years
Krypton 81 210000 years
Berrylium 7 53,28 days
Plomb 210 22,6 years

31. R = 18O/16O, 2H/1H, 13C/12C ………
δ = [(R sample/R standard) - 1] ∗1000
en parts por mile, ‰
18
O
16
O
( )sample
18
O
16
O
( )standard
1 * 1000
Standard
Oxgene 18 : S.M.O.W. - Standard Mean Ocean Water (Craig, 1961)
Carbone 13 : Belemnitoïde from Pee Dee formation Crétaceous superior (North Carolina-
U.S.A (Craig, 1957).
Physique des isotopes stables
stables
Rapport isotopique (≠ concentration isotopique) Utilsation :
Géologie terrestre et extraterrestre,
sciences environnementales, tous
cycle minéral où organique….

32. 103 Ln α1-2 = a + b T -1 + c T -2
lnα18 = ((1.137/Τ2)∗1000) − (0.4156/Τ) − (2.0667/1000)
lnα2 = ((24.844/Τ2)∗1000) − (76..248/Τ) + (52.612/1000)
lnα18 = (11.839/Τ) − (28.224/1000)
lnα2 = (16288/Τ2) − (9.34/100)
Echange chimique entre 2 isotopes de l’élément X en conditions d’équilibre
Facteur de fractionnement a est defini par la constante d’équilibre de la réaction
liquide-vapeur
solide-vapeur
<==>
Facteur d’enrichissement e
<==>
1+d2
≈1
d1
-d2
=e1-2 =-e2-1
<==>

34. non stable ! particules α, β , γ.
146C ⇒ 147N + β-
96C ⇒ 95B + β+
210
82Pb ⇒ 206
80Hg + α
Radioactif
Loi de désintegration
Vitesse de désintégration
N0 = nombre d’atome à t=0, N = nombre d’atome à t, k =constante de désintégration
Pour N= N0/2 ==> 2 = ekt ==> Ln(2)/k = t = T1/2 (période radioactive)
On utilise l’activité (nombre de désintégration par seconde) A = A0* e-kt
a = 4
2He
Physique des isotopes radioactifs
Pour les aquifères :
de court à long temps de résidence =>Tritium/85Kr – 14C- 36Cl

35. Principe général : Atmosphère = Activité maximale 100% processus de
regénération issu du processus de spalliation
14
7
N + 1
n ----> 12
6
C + 3
1
H
14
7
N + 1
n ----> 14
6
C + 1
1
H
Dans le sol l’eau est rapidement isolée de l’atmosphère et les éléments
radioactifs commencent à décroître

36. Bauer et al., 2001, J of H
Exemple de quelques traceurs utilisés sur des eaux à transit court

37. Origine de l’eau et processus
- Effet de température (altitude, latitude)
- Effet de continentalité
- Effet de masse
- Relation oxygène 18 vs deutérium
- Processus d’évaporation è salinisation
- Conditions climatiques au moment de la recharge
- Processus géothermique è salinisation
Stables de l’eau, processus et propriétés

38. Effet de ‘température’

39. Effet de ‘Continentalité’

40. Relation
oxygène 18 vs deutérium
pente ≈ 8 (entre 7,5 y 8,5)
Graphique synthétique des
processus isotopiques dans le cycle =>
de l’eau

41. Isotopes de l’eau dans le cycle de l’eau => cycle isotopique

42. Volatilisation de l’azote ammoniacal
Ammonification
Nitrification
Dénitrification
Prélèvement et assimilation par les végétaux
Les processus principaux du cycle de l’azote
Exemple d’autres
type de cycle :
Isotopes dans le cycle
de l’azote

43. Graphique synthétique des processus isotopiques dans le cycle de l’azote

44. Datation par les gaz anthropiques CFS’s/SF6

45. Paléoclimatologie

46. Ceara-Brésil (Kreis et al., 2020 Isotopes in Environmental and Health Studies)
Aquifère phréatique fracturéèproblématique de salinisation
Topographie 200-500 m, P entre 700 mm/an
Système endoréique naturel et artificiel
Quelques cas d’études

47. Effect of
increased
salinity
Effect of the
rainfall
Essentially
chloride facies :
Cl – Mixte (49%)
Cl – Na (22%)
Mixte – Mixte (11%)
....
Bicarbonated
facies: <10%
n= 27
Before the rainfall season
n=38
After the rainfall season
Résultats de Chimie
è multi faciès avec prédominance Chloruré
Low
salinity
Facies
HCO3
Higher
salinity
Facies Cl

48. Résultats de 14C, 3H, CFC, SF6
è eaux jeunes principalement
• Group 1 (post 1950) :
14
C >100 pMC
3H detectable
High fraction of recent
water > 65%
(in blue)
• Group 2
(intermediary):
14C ≈100 pMC
3
H non-detectable
Fraction of recent water
between 35 and 50%
(in orange)
• Group 3 (50 – 200 yrs) :
14
C <100 pMC
3
H non-detectable
Fraction of recent water
< 25 %
(in red)
127
pMC
0,7 UT
104 pMC
0,6 UT
65%
recent
98 pMC
<0,7 UT
50%
recent
120 pMC
0,9 UT
110 pMC
<0,7 UT
45%
recent
25%
recent
106 pMC
<0,5 UT
35%
recent
105 pMC
0,7 UT
124 pMC
1 UT
85
%
- %
40%
recent
15%
recent
73 pMC
<0,4 UT
20%
recent
92 pMC
<0,3 UT

49. Isotopie stable de l’eau è marque généralisée d’une évaporation

50. Modèle conceptuel

51. Equateur (Manciati et al., 2021 Frontiers in Water.)
Aquifères complexes confinés volcano sédimentaires montagneux
Chiche et Illalo géothermie
Topographie 2500-3000 m, P 1200 mm/an
Recent deposits Holocene
Cangahua - recents pyroclastic flow Upper Pleisto - Holocene
Chiche Volcano-sedimentary Middle - Upper Pleistocene
Guayllabamba Volcano-sedimentary Lower - Middle Pleisto
Ilaló - Pasochoa Volcanic Lower Pleistocene
Western Cordillera Lower Cretaceous - Oligo
Eastern Cordillera Paleo - Lower Cretaceous
Wells
Springs
Rain isotope stations
Rivers
Study area
Legend
Geological cross section A – A’
781 782 783 784 785 786 787 788 789 790 791
780
Fault
Antisana
Fault
Chiche
River
2050
2100
2150
2200
2350
2400
2450
2500
2550
2650
2700
2750
2800
2850
2950
3050
3100
3150
3000
2900
2600
2300
2250
~10 m
~45 m
~30 m
~100 m
~200 m
?
?
?
Dr Recent deposits
Qc Cangahua
PCh Chiche
PB Guayllabamba
Pi Ilaló
Horizontal scale: 1 : 50000
Vertical scale: 1 : 5000
San
Pedro
River
Ilaló
Volcano
Dr
Qc
PCh
PCh
PB
Pi
Qc
Dr
Qc

52. Chiche aquifer Piper Diagram
M
g
S
O
4
+
C
l
+
N
O
3
Ca
N
a
+
K
C
O
3
+
H
C
O
3
Cl+NO3
S
O
4
C
a
+
M
g
0
1
0
0
0
1
0
0
0
100 0 100
0
1
0
0
0
1
0
0
0 0
100
100
North Chiche wells
South Chiche wells
Mixed wells
North Chiche springs
Ilaló aquifer Piper Diagram
M
g
S
O
4
+
C
l
+
N
O
3
Ca
N
a
+
K
C
O
3
+
H
C
O
3
Cl+NO3
S
O
4
C
a
+
M
g
0
1
0
0
0
1
0
0
0
100 0 100
0
1
0
0
0
1
0
0
0 0
100
100
Ilaló wells
Ilaló springs

53. dD = 3.5 d18O - 40
R2 = 0.72
-100
-95
-90
-85
-80
-75
-70
-65
-14 -13 -12 -11 -10
dD
(‰)
d18O (‰)
Rumipamba station (Pr1 - 2976)
La Tola station (Pr2 - 2480)
Cumbayá station (Pr3 - 2362)
Las Peñas station (Pr4 - 2340)
Quito station (2850)
North Chiche
South Chiche (Changkuon et al. 1989)
Ilaló
Ilaló (Changkuon et al. 1989)
GMWL
North Chiche line
South Chiche line
Ilaló line
Changkuon et al. 1989 Ilaló line

54. Colombie Cali (IAEA Project RLA/8/031)
- Aquifère complexe, origine de la recharge, âge et gestion de l’eau,
contamination

57. Modèle conceptuel

58. Uraba-Colombie (Villegas et al., 2018 Hyd.Proc.)
Aquifère complexe côtier èsujet d’intérêt l’aquifère confiné
Pliocène
Topographie 0-200 m P entre 2100 et 3800 mm/an

62. R. Carraipía MAICAO
Ac. Cuaternario
Ac. Terciario
Ac. Cretácico
Colombie Maicao,
zone semi aride, origine de l’eau, recharge actuelle, datation et
gestion de l’eau (Taupin et al., 2009, HSJ.)

65. Modèle conceptuel

66. Merci!!!! Pour votre attention
Antizana-Ecuador-5765 m