ÉTUDE TECHNIQUE DATATION D ECHANTILLONS D EAUX PAR …

ÉTUDE TECHNIQUE : DATATION

D’ECHANTILLONS D ’EAUX PAR DES METHODES DE GEOCHIMIE

ISOTOPIQUE SUR L' ILE DE LA REUNION

Rapport Final

Marché OLE n° 2007-04

SANQUER PATRICK

NICOLINI ERIC : Laboratoire Géosciences Faculté des Sciences et Technologie Université de La Réunion (France)

UWE MORGENSTERN : Geological Nuclear Science (Te Pù Ao) Wellington (Nouvelle Zélande)

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RESUME

L'approche hydrogéologique en milieu volcanique sur l'île de La Réunion est difficile à

cause de la forte hétérogénéité de nature et d'agencement structurel des constituants rocheux. La majorité des forages qui reste limitée à la frange côtière pour des raisons d'accessibilité ne permet pas d'intégrer les mécanismes hydrauliques sur l'ensemble du massif. Bien que des modèles hydrogéologiques aient été réalisés à l'échelle régionale, cette approche directe ne permet pas de caractériser les différents systèmes aquifères locaux ainsi que leurs relations et leur dynamique. Cette étude réalisée pour l'Office de l'Eau de La Réunion propose de caractériser le fonctionnement des hydrosystèmes par une méthode inverse novatrice sur l'île qui s'affranchit de la connaissance détaillée des caractéristiques hydrodynamiques des matériaux. L'utilisation du tritium comme traceur des temps de séjours des eaux a été appliquée sur quatorze échantillons d'eaux caractéristiques de différents systèmes hydrogéologiques. Les eaux superficielles ont été datées à une dizaine d'années et des eaux profondes, prélevées dans une galerie sous plus de mille mètres de recouvrement ont été datés à 150 ans. Enfin, les analyses géochimiques ont permis de mettre en évidence des phénomènes de pollution anthropiques notamment par les nitrates et sulfates pour des sites proches des zones d'activités, malgré des différences de temps de séjour. Cette observation tend à confirmer la présence de différents types d'écoulements au sein du massif volcanique favorisés par des discontinuités géologiques.

Mots-clés : hydrogéologie ; datation des eaux ; tritium ; volcan ; île de La Réunion ; modélisation inverse ; géochimie ; galerie.

ABSTRACT

The hydrogeologic approach in the volcanic island of La Réunion is difficult because of

the high degree of heterogeneity in the rock materials and their structural organisation. Because most of the boreholes investigations are limited to a coastal ring of few kilometres onshore, the knowledge of the hydraulic mechanisms and parameters of volcanic materials isn't available at scale of the whole massif. Some hydrogeologic models were built at the regional scale, but this direct approach did not permit to characterise the different aquifers, their relations and dynamics. The purpose of this study, ordered by the Water Office of La Réunion, is to use a pioneer approach on the island by inverse modelling to determine the functioning of aquifers without prior knowledge of the hydraulic parameters of the volcanic materials. Tritium appears to be the best dating tools for the fourteen groundwaters investigated with about 10 years for the superficial ones up to more than 150 years for the deepest and oldest ones. The sampling of the last was done in galleries situated more than one thousand meters deep. Geochemical analysis showed nitrate and sulphate pollution for the sampling sites the closest from human activities despite short or longer mean residence time of water that suggest different flowpath into geological discontinuities in the massif.

Key-words : hydrogeology : water dating ; tritium ; volcano ; La Réunion island ; inverse modelling ; geochemical analysis ; galleries.

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SOMMAIRE

I. INTRODUCTION.......................................................................................................................... 9

1. PRESENTATION............................................................................................................................9

2. OBJECTIFS..................................................................................................................................10

3. CONTEXTE GEOLOGIQUE ET HYDROGEOLOGIQUE.....................................................................10

4. APERÇU DES SCHEMAS D'ECOULEMENTS EN MILIEU VOLCANIQUE...........................................14

II. MATERIEL ET METHODES .................................................................................................. 17

III. DATATION DES EAUX .......................................................................................................... 21

1. RAPPEL DES OBJECTIFS.............................................................................................................21

2. PRINCIPE....................................................................................................................................22

2.1. Traceurs chimiques et radioactifs.................................................................................................23

2.1.1. CFCS ET SF6 .........................................................................................................................24

2.1.2. 14C ........................................................................................................................................27

2.1.3. TRITIUM.................................................................................................................................27

2.2. Principe des modèles inverses ......................................................................................................29

3. DONNEES ET CHOIX DU MODELE UTILISE..................................................................................31

3.1. Données tritium ............................................................................................................................31

3.2. Modèle mathématique ou fonction de transfert ............................................................................33

4. RESULTATS DE DATATION.........................................................................................................35

5. TESTS DE SENSIBILITE................................................................................................................44

5.1. Incertitude liée à la fonction d'entrée ...........................................................................................44

5.2. Incertitude liée à l'erreur sur la mesure tritium ...........................................................................49

5.3. Approche naturaliste sur les modes d'écoulements ......................................................................49

6. CONCLUSIONS............................................................................................................................50

IV. ALTITUDES D'INFILTRATION ET ISOTOPES STABLES ....... ...................................... 52

1. PRINCIPE....................................................................................................................................52

2. RESULTATS................................................................................................................................53

2.1. Altitudes d'infiltration...................................................................................................................53

2.2. Relation 18O - 2H...........................................................................................................................55

2.3. δ 18O..............................................................................................................................................56

V. APPORT DE LA GEOCHIMIE................................................................................................ 58

1. RELATION NITRATES - TRM .....................................................................................................58

2. RELATION CHLORE - SODIUM....................................................................................................61

3. RELATION CHLORE - ALTITUDE ................................................................................................62

4. RELATION NITRATES ET SULFATES - TRM ...............................................................................62

5. RELATION CALCIUM - ALTITUDE ..............................................................................................64

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6. MESURES 13C .............................................................................................................................65

VI. CONCLUSIONS........................................................................................................................ 66

VII. PERSPECTIVES ..................................................................................................................... 69

VIII. REFERENCES ....................................................................................................................... 71

IX. ANNEXES.................................................................................................................................. 74

ANNEXE 1 : Résultats chimiques et isotopiques .............................................................................. 75

ANNEXE 2 : Principes et théorie sur la datation............................................................................... 79

1. LE MODELE PISTON....................................................................................................................80

2. LE MODELE EXPONENTIEL.........................................................................................................80

3. LE MODELE EXPONENTIEL - PISTON..........................................................................................81

ANNEXE 3 : Corrélations des données tritium entre l'île Maurice et la Nouvelle-Zélande.............. 85

ANNEXE 4 : Relations Chimie - Temps de Résidence ..................................................................... 87

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Index des illustrations

Figure 1 : Carte géologique de la zone d'étude....................................................................................12

Figure 2 : Coupe géo-électrique interprétative de mesures AudioMagnétoTelluriques d'après L. Bret, 2002 montant l'interprétation de la position des formations de la séquence inférieure vers 1250 m (résistivités en Ω.m).....................................................................12

Figure 3 : Schéma non exhaustif illustrant les différentes formations géologiques pouvant être rencontrées à l'échelle de l'affleurement ainsi que leur agencement structural montrant la complexité en termes d'interprétation de comportement hydraulique d'un massif constitué de ces formations. ..................................................................................13

Figure 4 : Schémas conceptuels reposant sur le modèle hawaïen où seuls les dykes interviennent dans le conditionnement des aquifères (A: Join, 2005 ; B : L. Bret, 2002). .....................15

Figure 5 : Schéma conceptuel hydrogéologique sur le Piton de la Fournaise décrivant une structure en "tuiles" des aquifères et l'absence d'aquifère profond au sein du massif (d'après Violette et al., 1997)............................................................................................15

Figure 6 : Modèle conceptuel de type canarien montrant la présence d'un aquifère d'ampleur régionale conditionné par la diminution de la perméabilité des formations vers l'intérieur de l'île et dans la moindre mesure par certains dykes (d'après Join et al. 2005). ................................................................................................................................16

Figure 7 : Calendrier des prélèvements...............................................................................................17

Figure 8 : Emplacement des sites de prélèvements et délimitation de la zone d'étude .......................18

Figure 9 : Coupe schématique indiquant la position altitudinale des prélèvements............................19

Figure 10 : Schémas représentant les différents types d'eaux pouvant être rencontrés dans la zone saturée à l'échelle macro et microscopique. .............................................................22

Figure 11 : Représentation schématique des différentes lignes de flux ayant des âges moyens différents mobilisés par une résurgence (d'après Maloszewski et Zuber, 1996)...............23

Figure 12 : Gamme d'application des traceurs de temps de séjour moyen des eaux utilisés dans le cadre de cette étude.......................................................................................................24

Figure 13 : Concentrations en gaz anthropiques (chlorofluorocarbures et hexafluorure de souffre) considérés comme homogènes dans l'atmosphère d'un même hémisphère.........25

Figure 14 : Paramètres pouvant induire une erreur sur l'estimation des âges moyens des eaux souterraines par l'utilisation des CFCs (d'après Ayraud V, 2005). ...................................26

Figure 15 : Concentrations en tritium dans les pluies pour les stations représentatives de l'hémisphère nord (Vienne) et sud (Pretoria). (d'après IAEA – UNESCO, Vol II, 2001). ................................................................................................................................28

Figure 16 : Courbes définies pour un modèle Exponentiel Piston (EPM) à 80 % d'exponentiel montrant en fonction de l'année d'investigation, la relation entre une teneur en tritium dans une eau et son âge possible. On remarque qu'en 2000 (courbe bleue), une même concentration pouvait donner 3 âges différents à cause du pic de tritium d'origine nucléaire. La disparition de celui-ci permet dorénavant (courbes noire et en pointillés) de déterminer une solution unique d'âge moyen d'une eau. (d'après Morgentern and Taylor, 2006)..........................................................................................29

Figure 17 : Principe des modèles inverses (ou à boites noires). La fonction d'entrée à gauche est intégrée par une fonction g dont les caractéristiques représentent des paramètres de

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l'aquifère afin de caler la fonction de sortie calculée (à droite) sur des observations (points rouges). .................................................................................................................30

Figure 18 : Relation entre les teneurs en tritium dans les pluies mensuelles entre La Réunion et la Nouvelle-Zélande pour les années 2006 à 2008 (23 données mensuelles disponibles) utilisées pour créer une chronique complète de tritium dans les pluies à La Réunion........................................................................................................................32

Figure 19 : Teneurs moyennes annuelles en tritium dans les pluies à Kaitoke (Nouvelle-Zélande, courbe bleue) et chronique calculée pour La Réunion (courbe rouge). ............................33

Figure 20 : Représentation conceptuelle des écoulements sur la zone d'étude où l'importance de la zone non saturée contraint à avoir des écoulements de type piston. .............................34

Figure 21 : Teneurs en CFCs et SF6 dans les échantillons classés suivant l'âge déterminé par le tritium. Les problèmes de contamination lors de l'échantillonnage sont mis en évidence par les fortes variations observées (notamment, Les Cafés, Chaudron, PM 1238…). ............................................................................................................................36

Figure 22 : Temps de résidence moyens (TRM) classés des échantillons déterminés par le tritium. Les galeries présentent sensiblement les âges les plus grands. Trois valeurs d'âge sont données car on a considéré un régime transitoire et par conséquent, les valeurs tritium des trois années successives ne sont pas corrélées. Pour les autres échantillons, les données des trois années ont été utilisées pour le calage du modèle......37

Figure 23 : Illustration du rabattement en fonction du temps effectué par le creusement d'une galerie. Pour montrer la mobilisation d'eaux de natures différentes (eaux anciennes en bleu foncé et plus récentes en bleu clair), une stratification est présentée mais elle n'a pas de réalité physique. ...............................................................................................38

Figure 24 : Position des prélèvements de la rivière des Pluies et de la ravine blanche illustrant le contexte géomorphologique (forte pentes et dimension des planaises limitée) qui contraint la présence d'eaux souterraines anciennes. ........................................................39

Figure 25 : Coupes schématiques des forages. Les chiffres en gras représentent les âges moyens des eaux et les autres, la cote piézométrique observée lors du forage (source : Banque du Sous-Sol, BRGM) et la distance du forage à la mer. ......................................40

Figure 26 : Teneurs en tritium dans les rivières au cours des 3 années d'échantillonnage en saison sèche et du prélèvement en saison humide (mai 2008) ne montrant pas la participation significative des pluies à l'écoulement.........................................................41

Figure 27 : Position des arrivées d'eaux échantillonnées dans les galeries. ........................................41

Figure 28 : Teneurs en tritium dans les galeries (erreur ±0,03 UT). Les sources PM 3000 et PM 1077 et les sources PM 1238 et PM 763, bien que situées dans les galeries amont et aval respectivement semblent avoir le même comportement en fonction du temps. Le vieillissement apparent du PM 3000 lié à une diminution du tritium est confirmé par le carbone 14 sur ce point qui indique une part d'eau plus ancienne plus importante. ........................................................................................................................42

Figure 29 : Droites de corrélation entre les teneurs en tritium dans les pluies de La Réunion et celles de Kaitoke en prenant en compte les données mensuelles de l'année 2006 (1), 2006 et 2007 (2) et 2006, 2007 et 2009 (3).......................................................................44

Figure 30 : Variation de la quantité moyenne de tritium dans les précipitations en fonction de la latitude. (Stewart and Taylor, 1981) .................................................................................45

Figure 31 : Concentrations en tritium dans les pluies pour les stations de Nouvelle-Zélande, Diego Garcia et Maurice ainsi que divers ajustements réalisés à partir de la chronique néo-zélandaise pour calculer la fonction Input de tritium à La Réunion. L'utilisation de coefficients de correction de 0,6 à 0,8 semble appropriée. ......................46

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Figure 32 : Tritium dans les précipitations à Kaitoke et chroniques pondérées montrant que l'utilisation de coefficients de 0,6 et 0,7 semblent reproduire les données mensuelles du tritium dans les pluies à La Réunion............................................................................47

Figure 33 : Impact du coefficient de correction apporté à la chronique de Nouvelle-Zélande (fonction d'entrée) sur la détermination des temps de résidence moyens (TRM). L'écart type montre que la sensibilité est d'autant plus faible que les eaux sont anciennes...........................................................................................................................48

Figure 34 : Temps de résidence moyens calculés avec un pourcentage d'exponentiel plus faible pour des échantillons où m'on considère une épaisseur de zone non saturée plus importante. ........................................................................................................................50

Figure 35 : Gradient altitudinal du 18O calculé entre les stations météorologiques de l'Universtié de La Réunion (alt 75m) et de la Plaine des Fougères (alt 1290) permettant de calculer l'altitude moyenne d'infiltration des eaux souterraines........................................53

Figure 36 : Altitudes moyennes d'infiltration (mètres) calculées selon les données de Grünberger et avec les données acquises sur la Plaine des Fougères dès 2007. ..................................54

Figure 37 : Comparaison entre les altitudes moyennes de recharge déterminées par le gradient de 18O dans les pluies et les altitudes moyennes de bassin versant au dessus du point considéré (d'après BRGMRP-57955FR)...........................................................................55

Figure 38 : Relation 18O - 2H montrant que la position des eaux proche de la droite météoritique mondiale ne met pas en évidence de manière globale des conditions particulières comme un échange avec l'encaissant ou une évaporation.................................................56

Figure 39 : Variation du δ18O dans les échantillons non significative ne montrant pas l'apport d'eau ayant une autre origine. ...........................................................................................57

Figure 40 : Relation Nitrates en fonction du temps de résidence moyen (TRM) montrant que tous les ouvrages à proximité d'activités anthropiques sont affectés par une pollution aux nitrates. Il n'existe pas de relation avec l'âge de l'eau car l'occupation du sol apparaît comme un paramètre déterminant sur la pollution par les nitrates. La Rivière des Pluies (26 ans) et la ravine Blanche (35 ans) ne sont pas impactées car éloignées des activités humaines. .....................................................................................59

Figure 41 : Relation Nitrates en fonction de l'altitude moyenne d'infiltration déterminée par le gradient altitudinal de l'18O. Les échantillons dont les altitudes moyennes d'infiltration sont les plus basses c'est-à-dire les plus proches des zones anthropisées sont les plus affectées par la pollution aux nitrates...........................................................60

Figure 42 : Relation Cl vs Na (concentrations exprimées en µmol.L-1)..............................................61

Figure 43 : Relation entre la teneur en chlorures et l'altitude moyenne d'infiltration montrant la contribution d'une part d'eau marine pour les ouvrages côtiers Chaudron et Les Cafés. Les autres échantillons suivent le gradient de chlore par rapport à l'éloignement à la côte.......................................................................................................62

Figure 44 : Relation Sulfates en fonction du temps de résidence moyen (TRM) des eaux montrant que les eaux les plus jeunes et/ou à proximité d'activités anthropiques sont impactées par une pollution aux sulfates. .........................................................................63

Figure 45 : Nitrates en fonction de l'altitude moyenne d'infiltration montrant que les sites ayant les altitudes d'infiltration les plus basses c'est-à-dire proches des zones d'activités anthropiques sont impactés par une pollution par les nitrates. .........................................64

Figure 46 : Teneur en calcium dans les échantillons par rapport à l'altitude moyenne d'infiltration. Les échantillons dont cette altitude est la plus faible semblent impactés par une pollution par les activités anthropiques................................................................65

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Figure 47 : Schéma conceptuel hydrogéologique montrant forte variabilité d'âges moyen des eaux en fonction du contexte géostructural et hydraulique...............................................68

Figure 48 : Schéma conceptuel (d'après Morgenstern 2005) d'un écoulement de type piston et la fonction de transfert associée pour un temps de sejour τ donné. Elle montre qu'au temps t, seule la concentration d'une pluie infiltrée au temps t - τ prendra part dans la concentration en traceur en sortie du système. .................................................................80

Figure 49 : Schéma conceptuel (d'après Morgenstern 2005) d'un écoulement de type exponentiel et la fonction de transfert associée pour un temps de résidence moyen τ donné. .............81

Figure 50 : Schémas conceptuels d'écoulements de type exponentiel - piston avec une forte épaisseur de zone non saturée ou une portion d'aquifère confiné (modifié d'après Morgenstern 2005)............................................................................................................82

Figure 51 : Fonction de distribution des temps de transit pour un écoulement de type exponentiel - piston. Dans ce cas, la part du flux de type exponentiel (η) est de 50 % c'est-à-dire que l'écoulement de type piston intervient à la moitié de l'âge moyen τ. .......................................................................................................................................83

Figure 52 : Différentes fonctions de distribution des temps de transit pour un même âge moyen et différentes valeurs de la proportion d'écoulement exponentiel (η)...............................83

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I. Introduction

1. PRESENTATION

La caractérisation des aquifères et de leur fonctionnement sur les îles volcaniques hautes

est délicate. L'inaccessibilité à l'intérieur des terres et la profondeur des ressources en eaux

souterraines ont contraint la réalisation de forages de prospection et d'exploitation

principalement sur la bordure littorale de l'île de La Réunion. Si l'existence de différents

systèmes aquifères au sein du massif est mise en évidence par la présence de sources,

pérennes ou temporaires, d'une infiltration importante et la présence d'eau dans des ouvrages

souterrains profonds (galeries), il en reste néanmoins que leurs relations, leurs dynamiques et

leurs fonctionnements restent peu connus.

La nature des constituants rocheux et leur organisation structurale rendent la définition et

la conceptualisation des circulations compliquées. À l'échelle du massif, il est possible de

raisonner avec des grands ensembles géologiques auxquels peut être attribuée une

perméabilité équivalente avec une perméabilité horizontale supérieure à la perméabilité

verticale. Une approche déterministe est alors possible pour modéliser les aquifères de

dimension régionale comme cela a été réalisé sur le Piton de la Fournaise (Join et al., 2005).

Cependant, à une échelle plus réduite, l'hétérogénéité des matériaux volcaniques, leurs

caractéristiques hydrauliques en termes de fissuration, de fracturation et de porosité induisent

des circulations particulières en marge de la dynamique régionale. Il existe ainsi de nombreux

aquifères de dimensions réduites dont la détermination des limites n'est pas accessible aux

méthodes de prospection classique et qui ne peuvent êtres étudiés par une approche directe.

Le contexte de l'étude est supporté par le chantier de construction de la galerie Salazie. Cet

ouvrage de transfert des eaux de l'Est vers l'Ouest offre une fenêtre d'observation de la

géologie et des eaux souterraines sous près de 1400 mètres de recouvrement sur une distance

de plus de 10 Km. La rencontre de zones aquifères (30 à 40 bars de pression) à ces

profondeurs et à ces altitudes remet en question la nature des aquifères traversés et des

circulations qui peuvent avoir lieu entre les zones d'altitude et la zone littorale.

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2. OBJECTIFS

L'objectif de cette étude est d'établir une méthodologie afin de caractériser le

fonctionnement des hydrosystèmes du nord de l'île de la Réunion. Pour cela, quatorze sites de

prélèvements ont été choisis de manière à caractériser au mieux tous les types d'eau sur la

zone d'étude. Les méthodes mises en œuvre pour définir les circulations d'eaux souterraines

entre le domaine littoral et le domaine d'altitude reposent sur des techniques de géochimie

isotopique.

Le tritium (3H), le carbone 14, les Chlorofluorocarbures (CFCs) et l'hexafluorure de soufre

(SF6) sont utilisés comme traceurs pour dater les eaux souterraines et estimer leurs temps de

transits.

Les isotopes stables de la molécule d'eau (18O et 2H) permettent de caractériser les masses

d'eaux et de définir les altitudes moyennes d'infiltration des eaux échantillonnées.

3. CONTEXTE GEOLOGIQUE ET HYDROGEOLOGIQUE

La zone d'étude se situe dans le nord de l'île de La Réunion, dans les formations du Piton

des Neiges (Figure 1). Deux épisodes volcaniques différents sont largement reconnus quant à

l'évolution volcano-structurale du massif. Cette différenciation se caractérise par des

dynamismes éruptifs différents associés à une évolution de la chimie des magmas émis.

Ainsi, la première période dite basaltique ( > à 2,1 Millions d'années à 430 000 ans) est

relative à la mise en place des séries d'océanites et de basaltes. Le début de cette période

présente de nombreux faciès bréchiques d'origine pyroclastique et hyaloclastique dont la

puissance peut atteindre 700 mètres. L'ensemble est généralement très altéré et zéolitisé. Bret

et al. (2003) définissent un gradient décroissant de la zéolitisation à partir des axes de

drainage (vallées et paléovallées). En opposition, ils montrent la prépondérance d'argiles dans

les zones saturées de ces formations.

La seconde partie de cette période est constituée par un empilement de coulées d'océanites et

de basaltes faiblement zéolitisés sauf en partie basale dont la puissance peut atteindre

localement le millier de mètres. Cette série forme l'ossature en dôme du volcan bouclier. Les

11

résultats des mesures géophysiques réalisées par L. Bret (2002) disposent le toit de ces

formations vers 1250 m de profondeurs à l'aplomb de La Roche Écrite (Figure 2).

Après une période d'inactivité volcanique et d'érosion de l'ordre de 80 000 ans, se met en

place le deuxième épisode volcanique aux laves différenciées, de nature basaltique et

trachytique. Un faciès caractéristique de quelques centaines de mètres d'épaisseur forme un

niveau stratigraphique repère d'hawaïtes porphyroïdes à phénocristaux de plagioclase

(appelées "roches pintades").

L'ensemble du massif volcanique est recoupé par des dykes et érodé intensément au niveau

des grandes rivières et ravines où les pentes peuvent êtres subverticales sur plusieurs

centaines de mètres de dénivelée.

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Figure 1 : Carte géologique de la zone d'étude.

Figure 2 : Coupe géo-électrique interprétative de mesures AudioMagnétoTelluriques d'après L. Bret, 2002 montant l'interprétation de la position des formations de la séquence inférieure vers 1250 m (résistivités en ΩΩΩΩ.m).

Toute la difficulté de l'approche hydrogéologique en milieu volcanique réside dans la forte

hétérogénéité (de composition et spatiale) des matériaux. Si à l'échelle du massif, des

perméabilités équivalents ont été définies pour les grandes formations (Folio, 2001), il en

demeure que à l'échelle de l'affleurement, les contrastes de perméabilités peuvent être

importants (Figure 3).

Les coulées massives, c'est-à-dire dont la puissance est supérieure au mètre, possèdent

majoritairement une porosité de fractures associées a des structures prismatiques ou non.

Suivant la nature du basalte, une porosité vacuolaire peut être présente mais qui n'intervient

pas significativement dans la porosité cinématique. En revanche, elle peut avoir une incidence

sur le comportement des traceurs avec les phénomènes de diffusion entre l'eau de la matrice et

l'eau de la porosité cinématique.

13

Les coulées pahoe-hoe ou cordées, de part leur mode de mise en place, forment des bancs

d'épaisseur décamétrique qui sont d'autant plus sensibles à la fracturation et permettent des

circulations rapides en leur sein.

Les coulées de type aa ou scoriacées présentent les caractéristiques d'un milieu très poreux

qui peut perdre ses caractéristiques sous l'effet de l'argilisation (surface soumise à l'action de

l'eau très importante), de la compaction et dans la moindre mesure à la pédogenèse.

Les couches de tufs et de cendres ont généralement un caractère imperméable par rapport aux

types de matériaux décrits ci-dessus. Des résurgences s'observent généralement à l'interface

les coulées laviques et les coulées scoriacées, les tufs et cendres situées en dessous.

Au sein de ces structures horizontales apparaissent des objets géologiques à composante

verticale comme les paléovallées qui sont généralement décrites comme des drains. Les dykes

peuvent avoir les deux comportements (drainage ou confinement) selon leur état de

fracturation et du contraste de perméabilité qu'ils forment avec l'encaissant. Dans cette vision

multi échelle, la définition d'un volume élémentaire représentatif n'est pas aisée.

Figure 3 : Schéma non exhaustif illustrant les différentes formations géologiques pouvant être rencontrées à l'échelle de l'affleurement ainsi que leur agencement structural montrant la complexité en termes d'interprétation de comportement hydraulique d'un massif constitué de ces formations.

14

4. APERÇU DES SCHEMAS D'ECOULEMENTS EN MILIEU VOLCANIQUE

Différents auteurs se sont essayés à définir un modèle conceptuel des aquifères en milieux

volcaniques. La difficulté de représenter un milieu complexe qui peut être définit

simultanément comme :

• multi couches

• poreux

• fissuré

• côtier

• alluvial

• anisotrope

Les principales divergences sur la conceptualisation des aquifères en milieu volcanique

reposent sur l'existence ou non d'une nappe dite de base et de son extension à l'intérieur du

massif. Trois schémas ou modèles des aquifères volcaniques et de leur fonctionnement sont

décrits en fonction des objets géologiques qui les conditionnent :

1. Dans le schéma hawaïen, les dykes jouent un rôle de compartimentation des aquifères

(Figure 4). La densité de dyke augmentant vers le centre du massif conduit à la formation de

réservoirs dont la cote augmente. Dans ce modèle, les différentes propriétés hydrauliques

résultant des différentes phases volcaniques n'apparaissent pas. Le milieu est considéré

comme homogène à l'échelle régionale mais présente des discontinuités locales qui

conditionnement les écoulements souterrains.

A

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Figure 4 : Schémas conceptuels reposant sur le modèle hawaïen où seuls les dykes interviennent dans le conditionnement des aquifères (A: Join, 2005 ; B : L. Bret, 2002).

2. Le modèle décrit par Violette et al. (1997) sur le massif de la Fournaise suppose que

l'ensemble des ressources en eaux souterraines a lieu dans des aquifères perchés de

dimensions limitées dont le mur est constitué d'un niveau imperméable. L'existence d'un

aquifère de base étant limité à la frange côtière (Figure 5). L'observation au niveau d'un

forage de reconnaissance de la galerie Salazie d'une pression de 33 bars (soit 330 mètres d'eau

à la verticale) remet en cause ce modèle.

Figure 5 : Schéma conceptuel hydrogéologique sur le Piton de la Fournaise décrivant une structure en "tuiles" des aquifères et l'absence d'aquifère profond au sein du massif (d'après Violette et al., 1997).

B

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3. Enfin, Join et al. (2005) proposent la diminution de la perméabilité des formations de la

surface vers la profondeur. L'apparition de ce gradient résulte de l'âge des formations qui

apparaît comme un critère d'altération et de compaction (Figure 6). Ainsi, le gradient

hydraulique serait faible dans les formations récentes et très perméables et augmenterait dans

les formations plus anciennes au centre du massif.

Figure 6 : Modèle conceptuel de type canarien montrant la présence d'un aquifère d'ampleur régionale conditionné par la diminution de la perméabilité des formations vers l'intérieur de l'île et dans la moindre mesure par certains dykes (d'après Join et al. 2005).

L'objectif de cette étude n'est pas de dénoncer ou de confirmer un modèle particulier mais

d’aborder l’étude hydrogéologique de ce secteur avec de nouveaux outils isotopiques pour

apporter un éclairage nouveau et complémentaire sur l’organisation des écoulements

souterrains.

17

II. Matériel et méthodes

Cette étude est basée sur l'analyse de quatorze échantillons d'eau qui ont été collectés en

fonction de leur situation hydrogéologique de manière à représenter tous les types d'eaux

pouvant être rencontrées sur la zone d'étude et d'une façon plus large sur l'île de La Réunion.

Deux des échantillons proviennent de la Rivière des Pluies et de la Rivière St Denis, quatre

sont prélevés dans des forages en bordure littorale et deux sur des émergences (Cascade du

Chaudron et la source Apollon). Enfin, l'opportunité du chantier de basculement des eaux Est-

Ouest permet le prélèvement de quatre échantillons d'eaux souterraines sous plus de 1000

mètres de recouvrement (Figure 8 et Figure 9).

L'échantillonnage est effectué en période d'étiage afin de s'affranchir de la part d'eau

provenant des eaux météoriques récentes et de caractériser un fonctionnement en régime

permanent. Toutefois une série a été prélevée en mai 2008 (fin de saison des pluies) afin de

rechercher des variabilités saisonnières sur certains sites.

Les eaux de pluies prélevées sur une station météorologique de l'Office de l'Eau sur la

Plaine des Fougères au niveau de la ravine Mère Canal (altitude 1296 m) ont aussi fait l'objet

d'analyses isotopiques semestrielles (18O et 2H) car elles sont considérées comme

représentatives de la composante d'entrée des hydrosystèmes par infiltration. Ces teneurs

isotopiques sont comparées à celles qui sont relevées sur le toit de la Faculté des Sciences à

Ste Clotilde afin d'établir un gradient isotopique d'altitude.

Quatre campagnes de prélèvement ont été réalisées ; trois en saison sèche (octobre -

novembre 2007, 2008 et 2009) et une en saison pluvieuse (mai 2008). Seules les eaux des

galeries et des rivières (6 échantillons) ont fait l'objet d'un prélèvement en mai 2008 lors de la

saison pluvieuse (Figure 7).

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

Saison pluvieuse Saison sèche

2007 2008 2009

Figure 7 : Calendrier des prélèvements

18

Figure 8 : Emplacement des sites de prélèvements et délimitation de la zone d'étude

19

Figure 9 : Coupe schématique indiquant la position altitudinale des prélèvements.

En raison de l'absence d'équipement pour les analyses isotopiques et certaines analyses

chimiques (CFC, SF6) au Laboratoire de Géosciences de La Réunion, une partie de celles-ci

ont été réalisées par le laboratoire GNS partenaire de l'étude selon :

Cations (Ca, Mg, K, Na), anions (HCO3, Cl, F, Br, NO2, NO3, PO4, SO4) et Si

effectuées par le Laboratoire de Géosciences de La Réunion par chromatographie

ionique (ICS - 1100 Dionex)

Isotopes stables (13C, 18O, 2H), isotopes radioactifs (14C et 3H) et les gaz (CFC-11,

CFC-12, SF6, Ar et N2,) effectuées par le Laboratoire GNS (Nouvelle-Zélande). Le

tritium est analysé par comptage par scintillation liquide, les isotopes par

spectromètre de masse et les gaz chromatographie gazeuse à détection par capture

d'électrons.

Les données isotopiques des pluies collectées sur le toit de l'Université de La Réunion,

nécessaires à l'élaboration d'un gradient isotopique altitudinal ont été obtenues auprès de

20

l'AIEA 1 dans la mesure où l'Université intègre depuis 2006 (18O et 2H) et 2006 (3H) son

réseau mondial de surveillance et de mesure des isotopes des pluies.

L'ensemble des résultats est disposé en ANNEXE 1 : Résultats chimiques et isotopiques

La chronique de tritium dans les pluies situées en Nouvelle-Zélande, sur la station de

Kaitoke, a été fournie par le laboratoire GNS.

1 Agence Internationale de l'Énergie Atomique.

21

III. Datation des eaux

1. RAPPEL DES OBJECTIFS

Pour déterminer l'âge moyen des eaux, l'utilisation de traceurs chimiques et isotopiques

permet d'avoir une approche indirecte par comparaison aux méthodes déterministes reposant

sur la connaissance des propriétés hydrauliques du milieu, des charges hydrauliques et

l'utilisation des équations de transport. Ceux-ci sont donc particulièrement utiles dans la

mesure où l'hétérogénéité des matériaux en milieu volcanique est très importante.

Ayraud (2005) synthétise différents intérêts et applications découlant de la détermination

des temps de résidence moyens des eaux au sein d'un aquifère qui peuvent être :

• la reconstitution de l'historique d'une zone (en termes de pollution notamment)

• la calibration de modèles hydrogéologiques

• la prédiction des flux horizontaux

• la prédiction de la vulnérabilité à une pollution et du temps nécessaire à son

élimination (Morgenstern et Gordon, 2006/2010)

• la définition des taux de recharge pouvant contraindre la possibilité d'exploitation

des sites

• la définition des flux verticaux en vue d'effectuer une "hydrostratigraphie"

• l'évaluation du volume d'eaux souterraines

• la détermination des paramètres hydrodynamiques de l'aquifère à l'échelle

régionale

L'ensemble de ces axes permettant ainsi de mettre en place d'une part une démarche axée

sur la compréhension et la caractérisation des aquifères mais aussi une démarche appliquée

orientée vers leur gestion.

22

Il est important de noter que l'utilisation de l'outil "datation des eaux" nécessite un protocole

d'investigation qui est propre à un objectif fixé et qui ne saurait répondre directement à

l'ensemble des applications définies plus haut.

2. PRINCIPE

La datation des eaux est subjective dans la mesure où, dans un système naturel, le

prélèvement d'eau au niveau d'une source, d'une rivière ou d'un forage représente en réalité un

mélange d'eaux ayant des caractéristiques différentes dans des proportions données. En effet,

au niveau des matériaux dans lesquels les eaux circulent, plusieurs types d'eaux peuvent être

rencontrées (eau immobile, eau liée, eau libre) où des mécanismes de diffusion et de

dispersion vont troubler le signal d'âge de l'eau (Figure 10). De plus, au niveau d'un point de

prélèvement tels qu'une source ou d'un forage, plusieurs lignes de courant sont mobilisées

simultanément (Figure 11).

Par conséquent, l'âge d'une eau n'est jamais une valeur discrète, mais représente une

moyenne des âges des différentes eaux. On parle alors d' "âge moyen" ou de "temps de

résidence moyen" des eaux.

Figure 10 : Schémas représentant les différents types d'eaux pouvant être rencontrés dans la zone saturée à l'échelle macro et microscopique.

23

Figure 11 : Représentation schématique des différentes lignes de flux ayant des âges moyens différents mobilisés par une résurgence (d'après Maloszewski et Zuber, 1996)

Différents traceurs chimiques, radioactifs ou non, sont utilisés pour déterminer les âges

moyens des eaux. Dans le cadre de cette étude, c'est sur l'utilisation de traceurs dits

environnementaux2, que les temps de résidence moyens ont été déterminés. On distinguera

cependant des traceurs dits intrinsèques c'est-à-dire intimement liés à la molécule d'eau (3H)

par comparaison aux traceurs dissous (gaz et composés organiques : 14C).

2.1. Traceurs chimiques et radioactifs

Lors de la première campagne d'investigation (octobre 2007), trois types de traceurs des

temps de résidence moyens ont été utilisés (Figure 12) dans la mesure où la gamme d'âges des

eaux n'était pas connue :

- le carbone 14 (14C) dont la gamme d'application s'étant du millier d'années à environ

30000 ans

- le tritium (3H) utilisé pour dater des eaux jusqu'à 150 ans.

- les gaz CFCs 3 et SF6 dont la limite d'application est de l'ordre de 50 ans.

2 Un traceur artificiel est une substance introduite volontairement dans l'environnement. Un traceur environnemental est une substance qui n'est pas introduite volontairement. La présence de la première substance est obligatoirement d'origine anthropique, la seconde ne l'est pas forcément (signal saisonnier de 18O par exemple) 3 Chlorofluorocarbures

24

Figure 12 : Gamme d'application des traceurs de temps de séjour moyen des eaux utilisés dans le cadre de cette étude

2.1.1. CFCs et SF6

Les CFCs sont des gaz exclusivement anthropiques dont l'utilisation fût importante au

début du 20ème siècle comme substituts aux gaz réfrigérants dangereux (inflammables,

toxiques). Ils furent aussi employés comme gaz propulseurs dans les aérosols, solvants et

composés pour produits synthétiques.

Leur concentration dans l'atmosphère a augmenté de manière significative jusqu'à leur

interdiction dans les années 1990 en raison de leur action destructive sur la couche d'ozone et

le fait qu'ils soient des gaz à effet de serre.

L'hexafluorure de soufre (SF6) est un gaz qui fut utilisé notamment comme isolant électrique.

Les CFCs et le SF6 sont des traceurs dits évènementiels, leur application directement du

fait qu'ils possèdent des concentrations spécifiques à une date donnée. Par conséquent, la

mesure de la teneur de ces gaz dissous dans une eau souterraine donne une indication sur la

période à laquelle celle-ci a été isolée de l'atmosphère. Plus elle est élevée, plus l'eau est

récente (Figure 13).

25

Figure 13 : Concentrations en gaz anthropiques (chlorofluorocarbures et hexafluorure de souffre) considérés comme homogènes dans l'atmosphère d'un même hémisphère.

L'utilisation de traceurs gazeux (CFCs comme SF6) nécessite cependant quelques

hypothèses et précautions à prendre qui sont notamment :

• la connaissance de la température de recharge (conditionne leur solubilité)

• l'eau de recharge est en équilibre avec l'atmosphère du sous sol (temps de transfert

suffisamment lents)

• la pression partielle des gaz dans la zone non saturée est la même que celle dans

l'atmosphère

• les traceurs sont considérés comme conservatifs

• le prélèvement doit de faire sans contamination par l'atmosphère actuelle.

La Figure 14 résume les conséquences de différents paramètres sur la datation des eaux par

les CFCs.

26

Figure 14 : Paramètres pouvant induire une erreur sur l'estimation des âges moyens des eaux souterraines par l'utilisation des CFCs (d'après Ayraud V, 2005).

Dans le cas de l'île de La Réunion, l'épaisseur de la zone non saturée risque d'être un

facteur limitant vis-à-vis de l'utilisation des traceurs gazeux étant donné ses dimensions

importantes pouvant atteindre plusieurs centaines de mètres. Ayraud (2005) mentionne des

erreurs de l'ordre de 5 à 20 ans sur les âges des eaux pour une zone non saturée de l'ordre de

30 mètres alors que nous avons des ordres de grandeurs de facteur 10 fois plus importants.

27

2.1.2. 14C

Le carbone 14 de demi-vie de 5730 ans est utilisé pour dater des eaux très anciennes, du

millier d'années à environ 30 000 ans. Il s'agit d'un traceur dissous qui est associé aux

différentes espèces carbonatées. Son utilisation peut donc être contrainte par les phénomènes

de précipitation - dissolution. L'entrée du 14C dans le système s'effectue principalement au

niveau de l'atmosphère du sol où l'activité organique génère du CO2 qui est ensuite dissous

dans les eaux d'infiltration. Sa mesure est exprimée en pourcentage de carbone moderne

(pmc).

2.1.3. Tritium

Le tritium qui une demi-vie de 12,32 ans apparaît comme le traceur idéal des eaux

souterraines car il possède le même comportement et la même dynamique dans la mesure où

il fait partie intégrante de la molécule d'eau. Il ne sera donc pas soumis aux phénomènes

d'adsorption - désorption, précipitation - dissolution, dégazage.

Étant donné les faibles concentrations en tritium dans les milieux naturels, on les exprime en

Unités Tritium (UT) selon

1UT =3H1H

=10−18 soit une activité de 0,118 Bq.L-1

L'origine du tritium dans l'atmosphère est double ; l'une naturelle par désintégration de

l'azote par les rayons cosmiques dans la haute atmosphère ; l'autre, anthropique, est la

résultante des essais nucléaires aériens qui ont relâché du tritium avec un maximum dans les

années 1963 - 1964 (Figure 15). La différence de teneurs entre l'hémisphère Nord et

l'hémisphère Sud résulte du fait que la plupart des essais se sont effectués dans le premier et

que les mélanges de masses d'air entre les deux hémisphères est très limitée. La diminution de

la teneur en tritium après les années 1960 est due d'une part à la décroissance radioactive et

d'autre part aux phénomènes de mélanges entre la troposphère (0 à 8 - 15 Km d'altitude) où

l'eau ne reste que 5 à 20 de jours et les océans qui stockent le tritium. La Figure 15 justifie

28

donc l'utilisation des données provenant de Nouvelle-Zélande étant donné que les teneurs

entre les deux hémisphères varient d'un facteur 10.

De nombreuses études se sont basées sur l'utilisation et le suivi du pic de tritium comme

traceur évènementiel (maximum en 1963 - 1965), sa propagation et son atténuation dans les

systèmes hydrogéologiques afin de caractériser les propriétés des aquifères (voir partie

suivante III.2.2).

Figure 15 : Concentrations en tritium dans les pluies pour les stations représentatives de l'hémisphère nord (Vienne) et sud (Pretoria). (d'après IAEA – UNESCO, Vol II, 2001).

Cependant, à l'heure actuelle, le tritium d'origine nucléaire est revenu à des quantités proches

des teneurs naturelles. Son utilisation ne pourra donc à l'avenir qu'être destinée à la datation,

avec la connaissance a priori des caractéristiques de l'aquifère. La Figure 16 montre que pour

un système aquifère donné et un modèle validé (ici en Nouvelle-Zélande), la teneur en tritium

dans une eau peut être directement reliée à un temps de résidence moyen. En 2000 (courbe

bleue), la présence du pic de tritium engendrait une incertitude sur la détermination de l'âge

29

moyen (trois valeurs possible pour une eau à 1,75 UT). Dorénavant, la disparition du pic de

tritium permet de déterminer une solution unique en terme d'âge moyen d'une eau.

Figure 16 : Courbes définies pour un modèle Exponentiel Piston (EPM) à 80 % d'exponentiel montrant en fonction de l'année d'investigation, la relation entre une teneur en tritium dans une eau et son âge possible. On remarque qu'en 2000 (courbe bleue), une même concentration pouvait donner 3 âges différents à cause du pic de tritium d'origine nucléaire. La disparition de celui-ci permet dorénavant (courbes noire et en pointillés) de déterminer une solution unique d'âge moyen d'une eau. (d'après Morgentern and Taylor, 2006).

2.2. Principe des modèles inverses

L'hétérogénéité des constituants rocheux en milieu volcanique est telle, qu'il est difficile

d'avoir une approche déterministe pour comprendre localement les circulations d'eaux

souterraines et déterminer leur temps de résidence moyens. L'interprétation de traceurs de

datation des eaux nécessite donc l'utilisation de modèles stochastiques (ou empiriques,

inverses, "à boite noire") dans la mesure où la connaissance détaillée des paramètres des

aquifères n'est pas accessible.

Le principe des modèles est de représenter le comportement hydraulique de l'aquifère par

une fonction mathématique. Les paramètres définissant cette fonction mathématique sont

reliés à des paramètres de l'aquifère que l'on désire trouver. Les modèles inverses modulent

une fonction d'entrée (pH, conductivité, chimie, piézométrie, isotopes) par la fonction

30

mathématique afin de caler la fonction de sortie sur des observations (Figure 17). La fonction

de transfert (qui peut être infiniment variée) qui définit le modèle est choisie par l'utilisateur

ou trouvée par calibration. Les paramètres de l'aquifères sont eux trouvés par ajustement et

calibration.

Figure 17 : Principe des modèles inverses (ou à boites noires). La fonction d'entrée à gauche est intégrée par une fonction g dont les caractéristiques représentent des paramètres de l'aquifère afin de caler la fonction de sortie calculée (à droite) sur des observations (points rouges).

L'expression analytique de la fonction de sortie prend, dans le cas d'un suivi de la

concentration d'un traceur

Cout(t) = Cin (t − t")t"= 0

+∞

∫ . g(t")exp(−λt")dt"

Où Cout est la concentration calculée, Cin est la concentration en entrée, (t - t") est le temps

écoulé entre l'entrée et la sortie du système (temps de transit), t" est la date d'entrée, g(t") est

la fonction de transfert et exp(-λt") correspond à la correction liée à décroissance radioactive

du traceur (ici le tritium).

La validation du modèle mathématique est réalisée par une procédure d'essai - erreur entre

les valeurs de sortie (Ccalc) et les n observations (Cobs). La qualité de l'ajustement est décrite

quantitativement par l'opérateur sigma :

∑ =Ccalc − Cobs( )2

i=1

n

∑

n

Ainsi, deux approches peuvent avoir lieu dans le cas de l'utilisation du tritium comme outil

de datation des eaux souterraines en considérant que la fonction d'entrée est connue.

Si l'on possède un nombre suffisant d'observations, il est possible de définir certaines

propriétés de l'aquifère par la limitation du nombre de fonctions de transfert (représentatives

de ces propriétés) qui permettent un ajustement satisfaisant aux données de sortie.

31

En revanche, si le nombre d'observations est insuffisant, comme c'est le cas dans cette étude,

il est nécessaire de faire une hypothèse sur le modèle mathématique ou fonction de transfert

utilisés, c'est-à-dire que l'on suppose certains paramètres des aquifères et l'on porte

l'investigation sur un nombre limité d'entre eux.

Ici, nous avons considéré que sur les deux paramètres du modèle mathématique utilisé, l'un

était pris sur la base des connaissances acquises en Nouvelle-Zélande (% d'exponentiel) et

l'autre était déterminé par calibration et calage (temps de résidence moyen). Cet aspect est

développé en partie III.3.2

3. DONNEES ET CHOIX DU MODELE UTILISE

3.1. Données tritium

La mesure du tritium dans les pluies au niveau de La Réunion n'étant disponible que

depuis 2006 lorsque l'Université de La Réunion a rejoint le réseau de mesure de l'AIEA4, la

détermination des temps de résidence moyens des eaux s'est opérée à l'aide de la chronique de

tritium dans les précipitations de la Nouvelle-Zélande (Station Kaitoke). Étant donné que la

station de mesure n'est pas située à la même latitude que l'île de La Réunion et qu'elle n'est

pas soumise aux mêmes conditions climatiques, une correction des valeurs de la chronique a

été effectuée. La corrélation entre les deux stations a été calculée sur les précipitations

mensuelles des années 2006 à 2008 alors disponibles (Figure 18).

Remarque : Le coefficient de corrélation linéaire a pour expression :

R2 =1−erreur des carrés∑

carrés∑

Sur la Figure 18, il prend une valeur négative qui montre que la corrélation est très médiocre.

En effet, la valeur du numérateur devient très grande devant celle du dénominateur et alors R2

devient négatif (support Microsoft Excel : http://support.microsoft.com/kb/465640/fr).

4 Agence Internationale de l'Énergie Atomique qui effectue un suivi mondial des teneurs en tritium et deutérium dans les pluies.

32

y = 0,60x

R2 = -

0,5

1,0

1,5

2,0

1 1,5 2 2,5 3

Teneur (UT) en tritium à Kaitoke (Nouvelle Zélande)

Figure 18 : Relation entre les teneurs en tritium dans les pluies mensuelles entre La Réunion et la Nouvelle-Zélande pour les années 2006 à 2008 (23 données mensuelles disponibles) utilisées pour créer une chronique complète de tritium dans les pluies à La Réunion.

La relation permettant de créer une chronique complète (de 1960 à aujourd'hui) des teneurs

en tritium dans les pluies à La Réunion a donc été prise selon

3H[ ]La Réunion

= 0,6× 3H[ ]Kaitoke

Cette chronique de tritium dans les pluies est nécessaire pour calculer les temps de

résidence moyens des eaux car elle correspond à la fonction d'entrée dans le système.

L'avantage de l'utilisation de la chronique de tritium de Nouvelle-Zélande est que cette

dernière est la plus complète dans l'hémisphère sud et que les mesures effectuées par le

laboratoire chargé des analyses apparaissent comme les plus précises (Morgenstern and

Taylor, 2006). Cette précision est nécessaire étant donné les concentrations dans les

échantillons (minimum à 0,058 UT pour PM 3000) et la limite de détection de 0,03 UT.

Comme il est préférable d'avoir une chronique commençant avant le pic de tritium

d'origine nucléaire pour faire tourner les modèles numériques, la fonction d'entrée fut

extrapolée jusqu'aux années 1945 en considérant des teneurs naturelles (cosmogéniques)

comme étant égales à 1,5 UT à Kaitoke (Figure 19).

33

Figure 19 : Teneurs moyennes annuelles en tritium dans les pluies à Kaitoke (Nouvelle-Zélande, courbe bleue) et chronique calculée pour La Réunion (courbe rouge).

3.2. Modèle mathématique ou fonction de transfert

Une brève description des différents modèles mathématiques utilisés en datation des eaux

est présentée en ANNEXE 2 : Principes et théorie sur la datation. Les modèles mathématiques

sont une représentation des écoulements souterrains par des fonctions mathématiques dont les

variables permettent d'approximer certaines caractéristiques du milieu.

Deux fonctions mathématiques permettent de définir des cas extrêmes de répartition et de

transport des masses d'eaux souterraines :

• le modèle Piston où la fonction mathématique prend la forme d'une

fonction Dirac.

• le modèle Exponentiel où la distribution de l'âge des eaux est une fonction

exponentielle.

Dans le cadre de cette étude, le modèle d'écoulement de type Exponentiel - Piston (EPM)

qui est une combinaison des deux modèles précédents permettant le traitement des données de

tritium pour dater les eaux a été choisi dans la mesure où :

34

• la connaissance de la géologie et de l'hydrogéologie régionales dirige la

conceptualisation des écoulements souterrains (Figure 20).

• en l'absence d'études préalables, le modèle choisi en Nouvelle-Zélande a

été pris comme référence par similitude au contexte géologique volcanique

(malgré la différence d'épaisseur de la zone non saturée).

• la flexibilité du modèle permet de représenter toutes les situations entre les

deux cas extrêmes d'écoulements : purement piston ou purement

exponentiel.

• les paramètres définissant le modèle EPM sont de nature plus triviale que

des modèles similaires (modèle dispersif par exemple où la réalité du

coefficient de dispersion n'est pas évidente à comprendre).

Figure 20 : Représentation conceptuelle des écoulements sur la zone d'étude où l'importance de la zone non saturée contraint à avoir des écoulements de type piston.

Le modèle EPM est défini par deux paramètres : le temps de résidence moyen τ et le

pourcentage de flux intervenants de façon exponentielle. Dans une première approche, ce

dernier paramètre à été pris comme semblable à celui valable en Nouvelle-Zélande à savoir 70

% de flux exponentiel par rapport au flux total pour les échantillons provenant des galeries,

des forages et des sources. En revanche le modèle appliqué aux rivières St Denis et des Pluies

35

a été attribué d'un pourcentage de 90 % d'exponentiel. Un retour sur ces hypothèses est

effectué en partie III.5.3.

C'est donc uniquement sur la valeur du paramètre temps de séjour moyen ττττ que les calages

pour chacun des échantillons ont été réalisés.

Le logiciel BOXMODEL proposé par Kinzelbach et al. a été utilisé. Une modification des

codes de calculs a été réalisée car le logiciel original, qui prend la forme d'un tableur, ne

prenait pas en compte le modèle EPM. Il est disponible à l'adresse suivante.

http://www.iup.uni-heidelberg.de/institut/forschung/groups/aquasys/WAH/software.html

Un autre logiciel fourni par Uwe Morgenstern mis au point par Taylor C.B a aussi été utilisé.

4. RESULTATS DE DATATION

L'utilisation des traceurs gazeux s'est avérée inadaptée dans la mesure où les variations des

teneurs dans les échantillons semblent résulter de contaminations lors de l'échantillonnage par

comparaison aux données tritium (Figure 21). La valeur extrêmement élevée du CFC-11 au

Chaudron montre clairement l'impact d'une pollution liée aux activités anthropiques (zone

artisanale et industrielle). Les sources superficielles (Apollon), les forages et les rivières sont

aussi dans une moindre mesure, impactés par ces activités car ils présentent des teneurs

importantes en CFCs.

36

Figure 21 : Teneurs en CFCs et SF6 dans les échantillons classés suivant l'âge déterminé par le tritium. Les problèmes de contamination lors de l'échantillonnage sont mis en évidence par les fortes variations observées (notamment, Les Cafés, Chaudron, PM 1238…).

Pour la plupart des échantillons, l'utilisation du 14C ne s'avère pas être adaptée car les âges

moyens des eaux ne rentrent pas dans la gamme d'application de ce traceur (minimum

nécessaire de l'ordre du millier d'années). Les traceurs gazeux et le 14C ont donc été

abandonnés à l'issue de l'année 2007, première année de l'étude sauf pour l'échantillon PM

3000.

Le tritium en revanche apparaît comme un bon traceur pour déterminer le temps de

résidence moyens des eaux à La Réunion car ceux-ci rentrent dans la gamme d'âges de 0 à

150 ans. Seul l'échantillon PM 3000 montre une incertitude sur son temps de résidence moyen

car les âges 3H et 14C diffèrent de façon importante. Les résultats sur le 14C donnent des âges

de 3600 et 5000 ans sur les deux premières années (63,43 et 52,13 pmc pour les prélèvements

d'octobre 2007 et 2008 respectivement). La datation par le tritium donne un âge moyen de

l'ordre de 148 ans.

La Figure 22 ci-dessous présente les âges moyens des eaux calculés à l'issue des trois

années d'investigation.

Pour les échantillons des galeries, le calage du modèle permettant de déterminer le temps de

résidence moyen ne s'est effectué que sur une valeur pour l'année considérée. En effet, le

37

rabattement qu'effectue la galerie n'est pas considéré comme à l'équilibre. Par conséquent, les

eaux mobilisées peuvent avoir des signatures significativement différentes en fonction de la

partie de l'aquifère qui est drainée (Figure 23).

Figure 22 : Temps de résidence moyens (TRM) classés des échantillons déterminés par le tritium. Les galeries présentent sensiblement les âges les plus grands. Trois valeurs d'âge sont données car on a considéré un régime transitoire et par conséquent, les valeurs tritium des trois années successives ne sont pas corrélées. Pour les autres échantillons, les données des trois années ont été utilisées pour le calage du modèle.

38

Figure 23 : Illustration du rabattement en fonction du temps effectué par le creusement d'une galerie. Pour montrer la mobilisation d'eaux de natures différentes (eaux anciennes en bleu foncé et plus récentes en bleu clair), une stratification est présentée mais elle n'a pas de réalité physique.

s

De manière générale, les résultats fournis par la méthode tritium s'avèrent cohérents avec

la vision des écoulements que l'on a spontanément à savoir obtenir des eaux récentes pour des

échantillons peu profonds (Source Apollon) et plus anciennes pour les eaux profondes (galerie

où rappelons-le, plus de 1000 mètres de recouvrement peuvent être observés). A une telle

épaisseur recouvrement sont associées en Nouvelle-Zélande des eaux exemptes de tritium

c'est-à-dire plus anciennes que celles trouvées dans les galeries Salazie à La Réunion.

Les trois rivières échantillonnées se distinguent par leurs âges moyens avec la rivière Saint

Denis à 60 ans et la rivière des Pluies et la ravine Blanche de l'ordre de 30 ans. L'origine de

cette différence semble résider dans la position des points de prélèvements par rapport au

bassin d'alimentation de ces rivières. En ce qui concerne la rivière des Pluies et la ravine

Blanche, le secteur présente de fortes pentes limitant l'infiltration et la dimension des planèzes

où l'essentiel de la recharge s'effectue est limitée (Figure 24). La contribution d'eaux

souterraines anciennes semble donc restreinte par comparaison à la dimension du bassin

d'alimentation au niveau du prélèvement de la rivière Saint Denis (d'autant plus que celui-ci

est à plus faible altitude).

39

Figure 24 : Position des prélèvements de la rivière des Pluies et de la ravine blanche illustrant le contexte géomorphologique (forte pentes et dimension des planaises limitée) qui contraint la présence d'eaux souterraines anciennes.

Les âges des forages varient aussi de manière significative avec près de 50 ans d'écart entre

les forages Chaudron et Les Cafés et les forages Domenjod et Carreau Coton. La Figure 25

nous montre toute la complexité des écoulements souterrains en milieu volcanique. En effet, il

n'est pas possible de mettre en avant des paramètres comme la profondeur du forage et

l'épaisseur de zone non saturée traversée pour conditionner les temps de transit des eaux.

Cependant, il apparaît que les forages les plus proches de la mer (Chaudron et Les Cafés) ont

les temps de résidence moyens des eaux les plus faibles.

40

Figure 25 : Coupes schématiques des forages. Les chiffres en gras représentent les âges moyens des eaux et les autres, la cote piézométrique observée lors du forage (source : Banque du Sous-Sol, BRGM) et la distance du forage à la mer.

Par comparaison au contexte néo-zélandais, la présence de tritium au-delà de 100 mètres

de profondeur montre que la composante verticale des écoulements est relativement

importante.

Le prélèvement dans les rivières et la galerie en saison pluvieuse (mai 2008) a été effectué

afin de voir si des écoulements différents se mettaient en place sous l'effet d'une charge

hydraulique plus importante. L'échantillonnage des sorties d'eau dans la galerie avait aussi

pour but de vérifier si la présence de tritium dans les eaux était induite par une accélération

des eaux souterraines suite au drainage de la galerie et par la mobilisation d'eaux en

provenance du toit de l'aquifère régional.

Le suivi des teneurs en tritium montre qu'il n'y a pas significativement (compte tenu de

l'incertitude sur la mesure) de composante d'eaux météoritiques récentes dans les rivières

pendant la saison des pluies (Figure 26).

41

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

oct-07 fév-08 juin-08 oct-08 fév-09 juin-09 oct-09

Trit

ium

(U

T)

Rivière Saint Denis Rivière des Pluies

Figure 26 : Teneurs en tritium dans les rivières au cours des 3 années d'échantillonnage en saison sèche et du prélèvement en saison humide (mai 2008) ne montrant pas la participation significative des pluies à l'écoulement.

La Figure 27 rappelle la position des échantillons dans les galeries.

Figure 27 : Position des arrivées d'eaux échantillonnées dans les galeries.

42

En ce qui concerne les échantillons des galeries, seul le PM 763 présente une augmentation

du tritium pendant la saison des pluies qui pourrait suggérer la mise en place de circulations

rapides depuis la surface. Cependant, la teneur d'octobre 2009 (saison sèche) plus importante

semble indiquer que d'autres phénomènes prennent une part prépondérante dans la variation

du signal tritium (Figure 28).

Les sources aux PM 3000 et PM 1077 semblent avoir le même comportement, mais la

diminution du tritium n'est pas imputable aux précipitations. Le vieillissement des eaux

(diminution du tritium), confirmé par le 14C au PM 3000, semble plutôt indiquer un

changement d'alimentation en fonction du temps.

Figure 28 : Teneurs en tritium dans les galeries (erreur ±±±±0,03 UT). Les sources PM 3000 et PM 1077 et les sources PM 1238 et PM 763, bien que situées dans les galeries amont et aval respectivement semblent avoir le même comportement en fonction du temps. Le vieillissement apparent du PM 3000 lié à une diminution du tritium est confirmé par le carbone 14 sur ce point qui indique une part d'eau plus ancienne plus importante.

43

Conclusions partielles

Le tritium s'avère être l'outil de datation approprié pour une application aux eaux

réunionnaises. Les résultats sont cohérents de manière générale avec l'idée que l'on se fait sur

les circulations à savoir, des eaux récentes pour les sources de surface (Apollon : 6 ans) et les

forages peu profonds (Chaudron : 27 ans) et des eaux plus anciennes en profondeur (Cascade

du Chaudron : 75 ans, Domenjod : 82 ans, Galerie : 70 à 150 ans voire plus).

Ces observations générales sont à pondérer par la grande spécificité des sites de

prélèvement. Il est évident que le contexte géologique de chaque site intervient de manière

significative sur le temps de résidence moyen des eaux. Les forages qui ont des

caractéristiques proches (profondeur atteinte, hauteur de la zone non saturée traversée)

peuvent avoir des différences d'âge moyen des eaux de 50 ans.

Au sein de la galerie, les variations des teneurs en tritium observées, au cours des 4

campagnes de prélèvement permettent pour le moment de mettre en évidence que les

précipitations n'engendrent pas une modification des circulations. Celle-ci semble pourtant se

constater (PM 3000 et PM 1077) peut être sous l'effet du drainage engendré par le creusement

de la galerie avec la mobilisation provisoire d'eaux plus anciennes (2008).

À l'heure actuelle, les hypothèses posées sur le modèle mathématique utilisé (70 ou 90 %

d'exponentiel) pour la détermination des temps de résidence moyens ne peuvent pas

réellement être vérifiées dans la mesure où il serait nécessaire d'avoir une chronique plus

longue pour contraindre les modèles.

Dans la partie suivante sont présentés les résultats des différents tests de sensibilité

effectués pour avoir une idée de l'incertitude et du degré de confiance à apporter sur les âges

moyens des eaux.

44

5. TESTS DE SENSIBILITE

Cette partie traite plus précisément des aspects relatifs à l'utilisation du programme de

datation et des données utilisées. Ces dernières concernent surtout les teneurs en tritium dans

les pluies qui constituent le signal d'entrée du modèle sur lequel repose une incertitude

relativement importante. Enfin, une réflexion est apportée sur l'utilisation des modèles

d'écoulements par rapport aux hypothèses que l'on pourrait formuler sur ces derniers avec la

connaissance du contexte structural.

5.1. Incertitude liée à la fonction d'entrée

À l'heure actuelle, les données disponibles de tritium dans les pluies à La Réunion sont

limitées aux années 2006, 2007 et 2008 (soit 23 mesures mensuelles). Comme il est

nécessaire d'avoir une chronique de tritium suffisamment longue, celle de la Nouvelle-

Zélande a été utilisée. La qualité de la régression linéaire entre les deux stations (Kaitoke et

La Réunion) est médiocre et diminue lorsque l'on considère les trois années successives

(Figure 29). La corrélation montre une évolution du rapport

3H[ ]La Réunion

3H[ ]Kaitoke

de 0,7 vers 0,6 avec

l'augmentation du nombre de points.

Figure 29 : Droites de corrélation entre les teneurs en tritium dans les pluies de La Réunion et celles de Kaitoke en prenant en compte les données mensuelles de l'année 2006 (1), 2006 et 2007 (2) et 2006, 2007 et 2009 (3).

45

D'autres stations dans l'Océan Indien possèdent des mesures du tritium dans les pluies et

notamment l'île Maurice, distante de La Réunion d'environ deux cents kilomètres. L'île de

Diego Garcia (2300 kilomètres au nord-est, 7° de latitude sud) devrait avoir un signal en

tritium dans les précipitations plus faible que La Réunion (Figure 30) car située plus proche

de l'équateur (Weiss and Roether, 1980 Nicolini, 1982).

Figure 30 : Variation de la quantité moyenne de tritium dans les précipitations en fonction de la latitude. (Stewart and Taylor, 1981)

La Figure 31 ci-dessous montre sur les années 1990 à aujourd'hui l'évolution des teneurs

moyennes annuelles en tritium dans les précipitations en Nouvelle-Zélande (ligne bleue

continue), à Diego Garcia (carrés bleus) et à Maurice (cercles et triangles noirs).

46

0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

3,0

1991 1993 1995 1997 1999 2001 2003 2005 2007 2009

Trit

ium

(T

U)

NouvelleZélande

NZ x 0,7

NZ x 0,8

NZ x 0,60

Diego Garcia

Maurice 5Stations

Maurice 3Stations

La Réunion

Figure 31 : Concentrations en tritium dans les pluies pour les stations de Nouvelle-Zélande, Diego Garcia et Maurice ainsi que divers ajustements réalisés à partir de la chronique néo-zélandaise pour calculer la fonction Input de tritium à La Réunion. L'utilisation de coefficients de correction de 0,6 à 0,8 semble appropriée.

La comparaison avec les chroniques des stations de Maurice et Diego (Figure 31) Garcia

permet de valider l'utilisation d'un coefficient de correction de 0,6 à partir de la Nouvelle-

Zélande d'une part. En se réservant sur la qualité de l'ajustement (coefficient de corrélation

négatif sur la Figure 29), elle permet d'autre part de définir la gamme de variation possible de

la fonction Input liée à la corrélation et l'incidence portée sur la définition des temps de

résidence moyens.

Deux jeux de données sur Maurice ont été construits en prenant en compte la moyenne

annuelle du tritium dans les pluies sur cinq ou trois stations de collecte. En effet, deux stations

possédaient, sur la période d'investigation, des teneurs en tritium plus élevées que l'ensemble

et ont été considérées comme exceptionnelles ou aberrantes (Maurice 3 stations).

L'utilisation des données de l'île Maurice pour améliorer la corrélation entre les données de

Nouvelle-Zélande et celles de La Réunion n'est donc pas envisageable. En effet, elles ne

peuvent être qu'indicatives dans la mesure où aucune corrélation n'est systématique entre

chacune des cinq stations présentes sur l'île Maurice et la Nouvelle-Zélande (ANNEXE 3 :

Corrélations des données tritium entre l'île Maurice et la Nouvelle-Zélande). De plus, la

47

chronique de l'île Maurice n'étant plus à jour actuellement, il n'est pas possible de comparer

les données mensuelles de Maurice avec celles de La Réunion. Leur utilisation ici est justifiée

uniquement par la proximité entre les îles de La Réunion et Maurice.

Dans l'ensemble, la Nouvelle-Zélande possède un signal en tritium plus important que les

îles aux moindres latitudes. Les valeurs extrêmes de Diego Garcia pourraient être associées

aux déplacements saisonniers du front intertropical permettant à des panaches tritiés de

l'hémisphère nord de contaminer les précipitations (Nicolini, 1982). En supposant que le

signal en tritium dans les précipitations à La Réunion soit semblable à celui de l'île Maurice

(îles proches, latitude du même ordre de grandeur), alors une gamme de variation du

coefficient de correction de la chronique néo-zélandaise de 0,6 à 0,7 semble vraisemblable

(Figure 32). La chronique de tritium dans les précipitations à La Réunion fut donc construite à

un pas de temps annuel (moyennes annuelles) selon 3H[ ]La Réunion

= α × 3H[ ]Kaitoke(NZ )

avec un α

de 0,6, 0,7 et 0,8. Un coefficient de 0,5 a tout de même été testé.

Tritium dans les précipitations en Nouvelle Zélande et à La Réunion

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

3,0

3,5

aoû-04 fév-05 sep-05 mars-06

oct-06 avr-07 nov-07 juin-08 déc-08 juil-09

Trit

ium

dan

s le

s pl

uies

(T

U)

Kaitoke

Réunion

Kaitoke x 0,6

Kaitoke x 0,7

Figure 32 : Tritium dans les précipitations à Kaitoke et chroniques pondérées montrant que l'utilisation de coefficients de 0,6 et 0,7 semblent reproduire les données mensuelles du tritium dans les pluies à La Réunion.

48

Le Figure 33 ci-dessous montre l'évolution des temps de résidence moyens en fonction du

coefficient de correction apporté à la chronique de tritium dans les pluies de Nouvelle-

Zélande. L'importance d'avoir une corrélation précise entre les teneurs en tritium des pluies

des stations de Nouvelle-Zélande et celles de La Réunion est significative pour les eaux

"jeunes". En effet, on peut observer des écarts en moyenne de plus de 20 ans entre les deux

extrêmes (coefficients de 0,6 et 0,8) avec un maximum à 30 ans pour la Rivière Saint Denis.

En revanche, les eaux plus "vieilles" sont peu affectées par une variation de la fonction

d'entrée avec les pourcentages d'écoulements considérés.

N Nom 0,5 0,6 0,7 0,8 Ecart type

3 APOLLON 4 10 23 39 15,712 RIV PLUIES 10 26 38 49 16,72 CHAUDRON 11 27 43 54 19,05 LES CAFES 13 30 32 60 19,513 RAV BLANCHE 15 35 44 57 17,710 RIV ST DENIS 46 60 72 87 17,411 CASC CHAUDRON 52 75 86 97 19,27 PM 763 58 77 92 102 19,21 DOMENJOD 66 82 94 104 16,44 CAREAU COTON 70 84 97 107 16,19 PM 1238 76 93 105 112 15,86 PM 1077 110 120 125 129 8,28 PM 3000 145 147 148 148 1,4

90 % d'Exponentiel

70 % d'Exponentiel

Figure 33 : Impact du coefficient de correction apporté à la chronique de Nouvelle-Zélande (fonction d'entrée) sur la détermination des temps de résidence moyens (TRM). L'écart type montre que la sensibilité est d'autant plus faible que les eaux sont anciennes.

Les résultats montrent que l'incidence de l'erreur sur les âges moyens des eaux associée à la

fonction d'entrée est de l'ordre de la dizaine d'années. Le fait de surestimer la quantité de

tritium dans les précipitations aura tendance à "vieillir" les eaux souterraines et inversement.

Si la nécessité de définir précisément les temps de résidence moyens des eaux, l'élaboration

d'une relation plus fiable entre les données néo-zélandaises et réunionnaises à partir d'un jeu

de données plus important permettra de préciser la valeur de la correction à apporter sur la

chronique de Nouvelle-Zélande.

49

5.2. Incertitude liée à l'erreur sur la mesure tritium

L'incertitude associée à l'erreur sur la mesure de tritium (± 0,03 UT) sur les temps de

résidence moyens est en moyenne de 6 ans avec un maximum de 8 ans sur les échantillons

Chaudron et PM 1238.

Il est observable que la même incertitude sur la teneur en tritium n'entraîne pas toujours la

même incertitude sur le temps de résidence moyen calculé. Cela est dû au fait que le calage de

la fonction de sortie s'opère sur trois points d'observation (sauf galerie). En effet, en fonction

de la position des points par rapport à la courbe calculée, le décalage des observations de ±

0,03 UT peut conduire un meilleur calage de la courbe avec des composantes verticale et

horizontale variables fonction du temps de résidence moyen.

5.3. Approche naturaliste sur les modes d'écoulements

Il est fortement probable que la plus grande source d'incertitude réside dans l'hypothèse

formulée sur les paramètres du modèle mathématique utilisé (pourcentage de flux de type

exponentiel par rapport au flux total). En effet, d'une part, l'utilisation des hypothèses de

Nouvelle-Zélande, à savoir 90% d'exponentiel pour les rivières et 70% pour d'autres types

d'échantillons peut être légitimement remise en causes en raison des différences géologiques

et structurales des aquifères avec ceux de La Réunion (ignimbrites majoritairement et zone

non saturée plus faible en Nouvelle-Zélande).

D'autre part, l'utilisation des mêmes valeurs du pourcentage d'exponentiel pour tous les

échantillons d'une même classe (rivières et forages - sources - galerie) est évidemment fausse

car traduirait un même type d'écoulement pour différentes configurations.

Pour essayer d'approcher l'erreur induite par une mauvaise estimation des proportions de flux

exponentiels et pistons, une autre valeur de pourcentage a été utilisée. Seuls les sites profonds

ont été testés. Une part d'exponentiel plus faible (50 %) a été prise en considérant que

l'épaisseur de la zone non saturée induisait un écoulement avec une plus grande pert de flux

de type piston (retard lié au temps nécessaire à la traversée de la zone non saturée par les

eaux). La Figure 34 ci-dessous montre que l'erreur induise sur les âges moyens des eaux par

une mauvaise estimation du pourcentage d'exponentiel est d'autant plus importante que les

eaux sont anciennes.

50

50% 70%N Nom TRM (ans) TRM (ans)

11 CASC CHAUDRON 73 757 PM 763 76 771 DOMENJOD 75 824 CAREAU COTON 76 849 PM 1238 79 936 PM 1077 84 1208 PM 3000 93 147

Figure 34 : Temps de résidence moyens calculés avec un pourcentage d'exponentiel plus faible pour des échantillons où m'on considère une épaisseur de zone non saturée plus importante.

6. CONCLUSIONS

L'utilisation des traceurs gazeux (chlorofluorocarbures et hexafluorure de souffre) lors de

la première année d'investigation en 2007 s'est avérée inappropriée pour dater les eaux

souterraines en raison de la difficulté de mise en place de la méthode (contaminations).

Le carbone 14 dont la gamme d'application pour la datation s'étend du millier d'années à

environ 30 000 ans n'est pas adapté aux eaux de La Réunion qui sont bien plus récentes entre

10 et 150 ans. Seules les eaux au point PM 3000 dans la galerie Salazie amont semblent

significativement plus anciennes avec un âge carbone 14 entre 3600 et 5000 ans et un âge

déterminé par le tritium à 147 ans.

Étant donné que très peu d'informations géologiques et hydrogéologiques sont disponibles

à La Réunion, l'approche par des modèles déterministes pour dater les eaux n'est pas

envisageable. L'utilisation du tritium comme traceur dans des modèles inverses se révèle très

efficace. Cependant, la longueur des chroniques nécessaires à l'application de cette méthode

doit être suffisamment importante ce qui pose problème à La Réunion où les premières

mesures du tritium dans les pluies remontent à 2006 et dans les eaux souterraines à 2007. Un

coefficient de 0,6 appliqué aux chroniques pluviométriques du tritium en Nouvelle-Zélande

permet d'obtenir la fonction d'entrée des modèles inverses.

51

Les connaissances sur les conditions des écoulements étant limitées, le modèle

mathématique d'écoulement néo-zélandais a été appliqué en considérant que 70 % des flux

d'eaux avaient une distribution des temps de transits de type exponentiel. Cette valeur est

portée à 90 % si l'on considère les eaux alimentant les rivières.

L'incertitude sur les âges moyens des eaux engendrée par la construction de la fonction

d'entrée est de l'ordre de 10 ans avec un maximum pour les eaux récentes.

Celle liée à la mesure du tritium à ± 0,03 Unités Tritium est entre 6 et 8 ans.

Une approche naturaliste consistant à considérer une part de flux de type piston plus

importante dans les échantillons prélevés profondément conduit à une incertitude sur les âges

moyen d'autant plus grande que les eaux sont anciennes. Si l'on considère un pourcentage

d'exponentiel de 50 % au lieu de 70%, près de 50 ans de différence sont observés pour le PM

3000.

D'une manière générale, la modélisation plus fine permettant de dater les eaux souterraines

et de déterminer les écoulements de façon plus précise ne pourra être obtenue qu'en

augmentant le nombre d'observations. Si la fréquence des mesures de tritium dans les

précipitations doit rester la même (semestrielle) pour affiner le coefficient de correction de la

chronique néo-zélandaise, il semble qu'un pas de temps de deux ans soit suffisant entre les

mesures dans les eaux souterraines pour préciser le modèle mathématique à utiliser.

52

IV. Altitudes d'infiltration et isotopes

stables

1. PRINCIPE

La détermination des altitudes moyennes d'infiltration d'une eau repose sur l'utilisation de

l'isotopes stable de l'oxygène de la molécule d'eau : 18O. La composition isotopique des pluies

est soumise à un effet d'altitude, c'est-à-dire qu'elles subissent un fractionnement

(thermodépendant) lorsqu'une masse nuageuse s'élève sur un relief. Selon une distribution

altitudinale chaque précipitation aura donc une composition isotopique qui lui est propre.

La composition isotopique en 18O et 2H des pluies au niveau de l'Université (altitude 75

mètres NGR) est analysée par l'AIEA depuis 2002. La station météorologie de l'Office de

l'Eau installée en 2007 sur la Plaine des Fougères, près de la ravine Mère Canal se trouve à

1290 mètres d'altitude et permet d'établir un gradient altitudinal local de l'oxygène 18 (Figure

35).

53

Figure 35 : Gradient altitudinal du 18O calculé entre les stations météorologiques de l'Universtié de La Réunion (alt 75m) et de la Plaine des Fougères (alt 1290) permettant de calculer l'altitude moyenne d'infiltration des eaux souterraines.

2. RESULTATS

2.1. Altitudes d'infiltration

Au début de cette étude (octobre 2007), seule la station du site de l'Université de La

Réunion possédait des données de 18O et 2H dans les pluies à partir de 2002. Par conséquent,

la détermination de l'altitude d'infiltration des eaux, basée sur le calcul du gradient altitudinal

de 18O des pluies a été effectuée à partir des résultats de O. Grünberger (1986) sur l’année

1986 sur le secteur sainte Suzanne - Dos D’Ane. Cette première approche qui permet d'établir

une altitude moyenne d'infiltration des eaux échantillonnées (Figure 36) montre que pour de

nombreux échantillons, l'approximation par les données de O. Grünberger est raisonnable.

54

N° Nom Altitude

GrunbergerAltitude

1 DOMENJOD 1089 10362 CHAUDRON 1089 10123 APOLLON 806 6794 CAREAU COTON 729 6145 LES CAFES 470 3046 PM 1077 1612 16557 PM 763 1516 15608 PM 3000 1415 13759 PM 1238 1310 131010 RIV ST DENIS 1454 145311 CASC CHAUDRON 1507 153012 RIV PLUIES 1439 143513 RAV BLANCHE 1665 1720

Figure 36 : Altitudes moyennes d'infiltration (mètres) calculées selon les données de Grünberger et avec les données acquises sur la Plaine des Fougères dès 2007.

Le rapport BRGMRP-57955FR d'avril 2010 montre une démarche intéressante qui consiste

à comparer l'altitude moyenne calculée à partir du bassin versant au-dessus du point de

prélèvement avec l'altitude moyenne de recharge calculée par l'18O (Figure 37). Sur quelques

points apparaissent des similitudes entre ces deux altitudes (Domenjod, Chaudron, Ravine

Blanche). L'altitude moyenne du bassin versant de la source Apollon n'est pas en relation avec

l'altitude moyenne d'infiltration par le fait que cette source relève du type des aquifères

superficiels à La Réunion. La sous-estimation de l'altitude du bassin versant par rapport à

l'altitude de recharge peut indiquer que la différence entre bassin versant de surface et bassin

versant hydrogéologique peut être significative (Cascade du Chaudron).

55

N° Nom Altitude

Grunberger

Altitude moyenne

d'infiltration

Altitude moyenne du

BV1 DOMENJOD 1089 1036 10202 CHAUDRON 1089 1012 10153 APOLLON 806 679 10504 CAREAU COTON 729 614 8705 LES CAFES 470 304 5106 PM 1077 1612 1655 -7 PM 763 1516 1560 -8 PM 3000 1415 1375 -9 PM 1238 1310 1310 -10 RIV ST DENIS 1454 1453 100011 CASC CHAUDRON 1507 1530 120012 RIV PLUIES 1439 1435 115013 RAV BLANCHE 1665 1720 1617

Figure 37 : Comparaison entre les altitudes moyennes de recharge déterminées par le gradient de 18O dans les pluies et les altitudes moyennes de bassin versant au dessus du point considéré (d'après BRGMRP-57955FR).

2.2. Relation 18O - 2H

La relation oxygène 18-deutérium sur l'ensemble des eaux échantillonnées (4 campagnes)

montre une très bonne corrélation (R2 = 0,94) proche de la droite météorique des eaux qui a

pour équation δ2H =8.δ18O+10. Cette relation oxygène 18 - deutérium montre qu'aucune des

eaux ne présente la signature d'échanges avec l'encaissant ou une évaporation avant

infiltration (Figure 38). L'excès de deutérium défini par d = δ2H − 8.δ18O prend une valeur

moyenne de 13,6 sur l'ensemble des eaux (minimum à 11). Seul le point PM 3000 présente

des valeurs extrêmes de 16,22 16,14 et 16,42. Cette observation d'une plus forte valeur de

l'excès de deutérium témoignerait de la possibilité d'un âge plus important de cette eau

comme le suggère la faible valeur du 14C mise en évidence. (voir paragraphe III.4, p 35 ).

56

Figure 38 : Relation 18O - 2H montrant que la position des eaux proche de la droite météoritique mondiale ne met pas en évidence de manière globale des conditions particulières comme un échange avec l'encaissant ou une évaporation.

2.3. δδδδ 18O

La variation du δ18O sur les trois années d'études n'est pas significative ce qui montre d'une part que les eaux sont bien de la même origine sur les trois ans et d'autre part que la variation saisonnière du signal est amortie (Figure 39).

-7,0

-6,5

-6,0

-5,5

-5,0

-4,5

-4,0

-3,5

-3,0

jan-07 jan-08 jan-09

18O

Domenjod

Chaudron

Apollon

Carreau Coton

Les Cafés

Rav Blanche

Casc Chaudron

Riv Pluies

57

-7,0

-6,5

-6,0

-5,5

-5,0

-4,5

-4,0

-3,5

-3,0

oct 07 mai 08 nov 08 nov 09

18

PM 1077

RIV PLUIES

PM 763

RIV ST DENIS

PM 3000

PM 1238

Figure 39 : Variation du δδδδ18O dans les échantillons non significative ne montrant pas l'apport d'eau ayant une autre origine.

58

V. Apport de la géochimie

L'analyse chimique des eaux est un outil qui peut être utilisé pour discriminer différentes

eaux et obtenir des informations sur les terrains traversés et des éventuels processus

géochimiques dont elles ont été affectées. Le rapport BRGM (Aunay B et al. 2010) met en

évidence à l'aide de digrammes binaires réalisés sur 188 eaux sur l'ensemble de l'île de La

Réunion des phénomènes tels que l'altération hydrothermale, des intrusions marines, des

précipitations d'argiles, de zéolithes, de pollution anthropiques.

Sur les eaux analysées dans la présente étude, il n'est pas aisé de trouver des relations

permettant de caractériser des phénomènes précis qui nous donneraient une indication sur les

écoulements et les faciès géochimiques des eaux en fonction de leur contexte

hydrogéologique. Les relations entre certains éléments et le temps de résidence moyen (TRM)

sont présentées en ANNEXE 4 : Relations Chimie - Temps de Résidence.

Ci-après ne sont développées que les observations les plus pertinentes.

1. RELATION NITRATES - TRM

Les nitrates montrent clairement l'impact de l'occupation des sols sur la qualité des eaux

(Figure 40). Les ouvrages les plus proches du littoral donc plus à l'aval hydraulique des zones

d'activités humaines (urbanisation et cultures de canne à sucre notamment) sont les plus

affectés. L'ouvrage Chaudron est d'autant plus sensible qu'il se trouve à proximité d'une ravine

59

et draine vraisemblablement des eaux de ruissellements superficiels chargées en engrais

azotés. Les ouvrages Carreau Coton et Domenjod semblent encore relativement peu affectés

par les nitrates ; cela peut s'expliquer par les plus grands temps de transits des eaux qu'ils

captent (84 et 82 ans respectivement). La présence de nitrates n'est pas corrélée avec le temps

de séjour moyen des eaux comme le montrent la Rivière des Pluies et la ravine Blanche (TRM

respectivement de 26 et 35 ans) qui ne sont pas impactées par les nitrates malgré leur faible

âge moyen. En effet, leur bassin versant est situé au sommet de la planèze où aucune activité

humaine n'est présente. La Figure 40 montre en revanche que la pollution par les nitrates est

relative à la position de la zone de recharge des eaux échantillonnées par rapport aux zones où

sont présentes les activités anthropiques (littoral majoritairement car les hautes altitudes sont

peu accessibles).

Il est intéressant de remarquer notamment sur Chaudron que la teneur en nitrates n'évolue pas

vers une augmentation en fonction du temps sur les trois années d'investigation.

Figure 40 : Relation Nitrates en fonction du temps de résidence moyen (TRM) montrant que tous les ouvrages à proximité d'activités anthropiques sont affectés par une pollution aux nitrates. Il n'existe pas de relation avec l'âge de l'eau car l'occupation du sol apparaît comme un paramètre déterminant sur la pollution par les nitrates. La Rivière des Pluies (26 ans) et la ravine Blanche (35 ans) ne sont pas impactées car éloignées des activités humaines.

60

0

5

10

15

20

25

30

35

0 500 1000 1500 2000

Altitude moyenne d'infiltration (m)

Domenjod

Chaudron

Apollon

Carreau Coton

Les Cafés

PM 1077

PM 763

PM 3000

PM 1238

Riv ST Denis

Casc chaudron

Riv des Pluies

Rav Blanche Salazie

Figure 41 : Relation Nitrates en fonction de l'altitude moyenne d'infiltration déterminée par le gradient altitudinal de l' 18O. Les échantillons dont les altitudes moyennes d'infiltration sont les plus basses c'est-à-dire les plus proches des zones anthropisées sont les plus affectées par la pollution aux nitrates.

61

2. RELATION CHLORE - SODIUM

L'augmentation relative des teneurs en sodium par rapport au chlore résulte de l'altération

des minéraux riches en cet élément et traduit un plus grand temps de séjour ; la mobilisation

du chlore dans les roches volcaniques étant faible. Le diagramme binaire chlore - sodium

(Figure 42) permet de mettre en évidence que les eaux du PM 3000 possèdent un faciès très

différent qui se rapproche de la notion d'eaux profondes définie par Join et al. 1997 et

appartenant à l'aquifère "de base". Si l'on considère un rapport Cl / Na dans l'eau de mer de

1,5 , les pluies montrent une signature marine. Les eaux des échantillons Les Cafés,

Chaudron, Carreau Coton pourraient aussi montrer une influence marine dans la mesure où ils

présentent des rapports Cl / Na plus importants dont la tendance est similaire à la droite de

l'eau de mer.

1

10

100

1000

10000

10 100 1000 10000

Cl/Na=1,5PluiesChaudronApollonCareau CotonLes CafésPM 1077PM 763PM 3000PM 1238Riv ST DenisCasc chaudronRiv des PluiesRav Blanche Salazie

Figure 42 : Relation Cl vs Na (concentrations exprimées en µµµµmol.L -1).

62

3. RELATION CHLORE - ALTITUDE

Les teneurs en chlore sur l'ensemble des eaux indiquent la tendance à la diminution de la

teneur en cet élément suivant l'éloignement à la côte (traduit par l'altitude moyenne

d'infiltration compte tenu de la morphologie de l'île de La Réunion). Seuls les forages

Chaudron et Les Cafés présentent des teneurs en chlore anormalement élevées qui peuvent

êtres rattachées à un phénomène d'intrusion marine ou à une pollution (Figure 43).

Figure 43 : Relation entre la teneur en chlorures et l'altitude moyenne d'infiltration montrant la contribution d'une part d'eau marine pour les ouvrages côtiers Chaudron et Les Cafés. Les autres échantillons suivent le gradient de chlore par rapport à l'éloignement à la côte.

4. RELATION NITRATES ET SULFATES - TRM

Les sulfates (Figure 44) montrent la même tendance que les nitrates à savoir une teneur

plus importante pour les ouvrages qui captent des eaux jeunes et/ou qui sont proches de zones

d'activité anthropique (Chaudron, Les Cafés notamment et Carreau Coton et Domenjod dans

une moindre mesure). Les sulfates et les nitrates (Figure 45) sont directement liés au temps de

63

transfert pour des eaux dont les aires d'alimentation sont les plus basses (pollution marquée en

relation avec l'exposition et l'occupation du sol).

Figure 44 : Relation Sulfates en fonction du temps de résidence moyen (TRM) des eaux montrant que les eaux les plus jeunes et/ou à proximité d'activités anthropiques sont impactées par une pollution aux sulfates.

64

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

2000

0 5 10 15 20 25 30 35Nitrates (mg/L)

DomenjodChaudronApollonCarreau CotonLes CafésPM 1077PM 763PM 3000PM 1238Riv ST DenisCasc chaudronRiv des PluiesRav Blanche Salazie

Figure 45 : Nitrates en fonction de l'altitude moyenne d'infiltration montrant que les sites ayant les altitudes d'infiltration les plus basses c'est-à-dire proches des zones d'activités anthropiques sont impactés par une pollution par les nitrates.

5. RELATION CALCIUM - ALTITUDE

La teneur en calcium est importante pour les eaux récentes ayant une faible altitude

d'infiltration (Figure 46) signant ainsi l'impact des activités humaines (échantillons Chaudron,

Apollon et Les Cafés). Sinon, la teneur en calcium semble décroître avec l'augmentation du

temps de séjour.

65

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

2000

0 5 10 15 20 25 30

Ca2+

Domenjod

ChaudronApollonCareau CotonLes Cafés

PM 1077PM 763PM 3000PM 1238

Riv ST DenisCasc chaudronRiv des PluiesRav Blanche Salazie

Figure 46 : Teneur en calcium dans les échantillons par rapport à l'altitude moyenne d'infiltration. Les échantillons dont cette altitude est la plus faible semblent impactés par une pollution par les activités anthropiques.

6. MESURES 13C

Le carbone 13, isotope stable du carbone dissous est un traceur qui permet de discriminer

l'origine des eaux. Premièrement, lors de l'infiltration, l'eau acquiert la signature du CO2

biogénique produit par les plantes (CO2 de l'atmosphère et de l'atmosphère du sol) qui

fractionnent les isotopes du carbone en fonction de leur cycle photosynthétique (C3 ou C4).

Le CO2 d'origine magmatique est caractérisé par une teneur variant de - 1,7 à 6,8 ‰ vs PDB.

Le 13C sera donc représentatif de la végétation au lieu d'infiltration, de la période

d'infiltration.

Sur l'ensemble des eaux, la moyenne du 13C est de -15,2 ‰ vs PDB.

L'échantillon PM 3000 qui est ambigu à traiter en termes d'âge moyen (entre 147 ans par le 3H

3000 à 5000 ans avec le 14C) ne montre pas dans signature d'influence de CO2 d'origine

magmatique malgré la température des eaux (26,3 °C en moyenne).

66

VI. Conclusions

La difficulté d'avoir des informations sur les aquifères et les circulations d'eaux

souterraines en milieu volcanique contraint à avoir une approche empirique sur l'investigation

hydrogéologique. En effet, la nature des formations géologiques engendre directement une

distribution fortement hétérogène des caractéristiques des matériaux qui ne peuvent pas êtres

définies précisément.

L'objet de l'étude concerne la mise au point d'une méthodologie, basée sur une approche

géochimique pour définir le fonctionnement des aquifères du nord de La Réunion. Pour cela,

quatorze sites de prélèvements ont été choisis pour représenter tous les différents types

d'eaux. Les échantillons ont été prélevés dans quatre forages, une source d'altitude, une source

profonde, trois rivières pérennes et quatre arrivées d'eau dans une galerie sous 1000 mètres de

recouvrement en moyenne.

L'utilisation d'outils de géochimie isotopique sur les eaux a permis :

• de valider le tritium comme un outil de datation approprié aux aquifères étudiés

• de dater les quatorze échantillons d'eaux du secteur entre 9 ans et 147 ans à l'aide du

tritium.

• d'estimer les altitudes moyennes d'infiltration des eaux en utilisant les isotopes stables

de la molécule d'eau (18O).

Le tritium s'est avéré le traceur le plus adapté aux gammes d'âges des eaux que l'on est

susceptible de trouver sur l'île de La Réunion. Seul un l'échantillon PM 3000 de la galerie

relève une ambiguïté car il possède un âge déterminé par carbone 14 entre 3000 et 5000 ans.

Les échantillons les plus profonds (galerie) apparaissent bien comme les plus anciens.

Cependant, en ce qui concerne les forages, il n'y a pas de relation directe entre la profondeur

du forage, l'épaisseur de la zone non saturée et l'âge moyen des eaux.

67

L'utilisation de modèles numériques stochastiques (à boîtes noires) permet de déterminer des

caractéristiques des aquifères (temps de résidence moyen et types de flux). Les paramètres du

modèle numérique Exponentiel - Piston ont été pris comme similaires à ceux du modèle néo-

zélandais dans la mesure où la longueur des chroniques de données disponibles à La Réunion

ne nous permettait pas de réaliser des calages déterminants. Deux incertitudes peuvent

engendrer des erreurs significatives sur les âges moyens des eaux :

• la définition de la fonction d'entrée (teneur en tritium dans les précipitations)

• l'estimation du pourcentage de flux ayant une distribution exponentielle des temps

de séjours des eaux.

Ces deux points pourront êtres reconsidérés suite à l'acquisition d'une chronique de relevés

plus longue. La valeur de 70 % de flux de type exponentiel pour les forages profonds et les

échantillons de la galerie serait vraisemblablement plus faible étant donné la profondeur de

terrains à traverser. En effet, si cette valeur est valable à des aquifères peu profonds

(Nouvelle-Zélande), la présence d'eau à grandes profondeurs, sous plus de mille mètres de

recouvrement avec une grande épaisseur de zone non saturée engendrerait une part

d'écoulement de type piston plus importante.

Les mesures de tritium et d'oxygène 18 en période pluvieuse (mai 2008) n'ont pas révélé une

contribution d'eaux météoriques récentes. Il semblerait que la recharge se fasse par transfert

de pression et non par transfert de masse au sein de circulations préférentielles.

Les altitudes moyennes d'infiltration déterminées par l'oxygène 18 sont similaires aux

altitudes moyennes des bassins versants de surface.

Les analyses chimiques ont montré que les teneurs en nitrates et en sulfates étaient plus

importantes dans les eaux récentes et/ou dans les ouvrages où une activité anthropique

(cultures, fosses sceptiques) est présente à proximité. Malgré certains sites de prélèvements où

les temps de transferts des eaux sont importants (Domenjod et Carreau Coton, 80 ans

environ), la présence de nitrates et de sulfates tend à montrer qu'il existe des circulations

préférentielles et rapides au sein du massif.

La signature en chlore dans les eaux est bien corrélée avec l'altitude moyenne d'infiltration

(proportionnelle à la distance à la mer étant donné la morphologie de l'île). Des teneurs plus

importantes dans les forages Chaudron et Les Cafés pourraient avoir pour origine une

contamination par des eaux marines ou une pollution anthropique.

68

Le carbone 13 n'a pas montré d'influence hydrothermale (CO2 d'origine magmatique) sur l'eau

du PM 3000, la plus ancienne et qui possède un faciès chimique particulier (très sodique et

température élevée).

De manière générale, à l'issue de ces trois années d'investigation il apparaît que la spécificité

des différents sites de prélèvements, en termes de position géographique, topographique,

géostructurale et hydraulique, génère des variations propres à chacun d'entre eux. Les

informations obtenues ne peuvent donc s'harmoniser pour caractériser un schéma

d'écoulement cohérent sur l'ensemble du secteur étudié. La Figure 47 ci-dessous illustre la

forte spécificité des sites de prélèvements par rapports à leur âge moyen.

Figure 47 : Schéma conceptuel hydrogéologique montrant forte variabilité d'âges moyen des eaux en fonction du contexte géostructural et hydraulique.

69

VII. Perspectives

Il s'avère que la principale limitation en ce qui concerne la datation, et d'un point de vue

plus général dans l'utilisation de traceurs environnementaux, réside dans la qualité, la durée et

la fréquence des chroniques de données.

Dans le cadre de l'utilisation du tritium pour dater les eaux souterraines par des modèles

inverses, il ressort que :

• Sans la connaissance préalable des paramètres de l'aquifère considéré permettant

de définir le modèle mathématique à utiliser et approximer les valeurs de ses

paramètres (pourcentage d'exponentiel et TRM pour le model Exponentiel -

Piston), il est nécessaire d'avoir un nombre de points d'observations suffisants

pour obtenir le meilleur ajustement entre les données calculées et observées. Sans

quoi, un nombre important de modèles peuvent être solution de l'ajustement sans

avoir de réalité naturaliste.

• Dans la mesure où le modèle mathématique à été défini soit par un nombre de

point suffisant soit par une connaissance suffisante de l'aquifère qui justifie

l'utilisation d'un modèle valable et validé sur un milieu semblable, une seule

mesure devient nécessaire pour déterminer l'âge moyen des eaux.

• Dans le cas précis de cette étude, où certaines eaux sont échantillonnées dans le

contexte hydraulique particulier d'une galerie drainante en régime transitoire, la

fréquence importante de mesure du tritium apparaît comme utile pour mettre en

évidence des modification du régime d'écoulement? ou d'alimentation qui

n'apparaissent pas forcément sur d'autres traceurs (3H et 14C variables et 18O stable

sur PM 3000).

L'étude de datation des eaux sur les aquifères du nord de l'île est la première effectuée à La

Réunion. Elle doit permettre de définir un fonctionnement hydrogéologique dans un contexte

particulier, de servir de référence pour appliquer un modèle mathématique valable si la

démarche de datation veut être étendue à d'autres sites de l'île.

70

De plus l'opportunité d'avoir encore une trace du pic de tritium d'origine nucléaire dans les

eaux souterraines est un caractère primordial pour définir précisément un modèle

mathématique.

Il est donc suggéré de poursuivre les mesures de tritium sur les quatorze points de

prélèvements à un pas de temps de deux ans qui semble raisonnable pour pouvoir effectuer un

calage plus rigouraux entre les données de tritium calculées par le modèle inverse et les

données mesurées.

Les informations apportées par la méthode tritium qui apportent une meilleure connaissance

de la circulation des eaux souterraines sont aussi intéressantes pour la prévision de leur qualité

et de leur exploitation à venir.

La détermination de l'âge moyen d'une eau et donc de sa capacité de renouvellement, permet

de prévoir l'évolution de la qualité d'une eau impactée par des activités humaines. Il est donc

possible d'appréhender l'évolution à venir de cette qualité suite à une modification des

activités impactantes : poursuite, ralementissement ou accentuation de la pollution. L'exemple

du forage Chaudron montre qu'il est impacté par les activités anthropiques mais que sont

temps de transit des eaux induit un meilleur renouvellement. Ce n'est pas le cas pour les

ouvrages Domenjod et Carreau Coton où les âges moyens des eaux de l'ordre de 80 ans

pourrait induire une augmentation progressive des teneurs en polluants sur une période

beaucoup plus longue.

Morgenstern et Gordon (2006 - 2010) proposent la modélisation de l'évolution des teneurs en

nitrates dans les eaux souterraines à partir de la connaissance du modèle mathématique

représentant le type d'écoulement comme outil de prédiction du risque sanitaire liée à la

pollution aux nitrates dans les eaux souterraines.

71

VIII. Références

Nous tenons à remercier feu Taylor C.B pour

l'utilisation de son logiciel de datation sous

interface Excel qui a été mis à disposition par

Uwe Morgenstern.

Aunay B, Genevier M, Ladouche B, Marechal JC. Analyse fonctionnelle par traitement du

signal et approche hydrochimique des aquifères du nord de La Réunion. BRGMP-57955-

FR, 2010, 190p.

Ayraud V, Détermination du temps de résidence des eaux souterraines : application au

transfert d’azote dans les aquifères fracturés hétérogènes. Thèse de l'Université de Rennes

1, 2005, 298p.

Bret L, Minéralogie et géochimie des séries anciennes du Piton des Neiges : Modélisation et

inplications hydrogéologiques. Thèse de l'Université de la Réunion, 2002, 184 p. +

annexes.

Bret L, Join J-L, Legal X, Coudray J, Fritz B. Argiles et zéolites dans l’altération d’un volcan

bouclier en milieu tropical (Le Piton des Neiges, La Réunion). C. R. Géoscience 335,

2003, pp 1031 - 1038.

Folio J-L, Distribution de la perméabilité dans le massif du Piton de la Fournaise : apport à la

connaissance du fonctionnement hydrogéologique d’un volcan bouclier. Thèse de

l'Université de la Réunion, 2001, 148 p. + annexes.

Günberger, Étude géochimique et isotopique de l'infiltration sous climat tropical contrasté,

massif du Piton des Neiges, île de la Réunion. Thèse de l'Université de Paris XI, 1989,

197 p.

72

Join J-L, Folio J-L, Robineau B. Aquifers and groundwater within active shield volcanoes.

Evolution of conceptual models in the Piton de la Fournaise volcano. Journal of

Volcanology and Geothermal Research 147, 2005, pp 187 - 201.

Kinzelbach W, Aeschbach W, Alberich C, Goni I.B, Beyerle U, Brunner P, Chiang W-H,

Rueedi J, and Zoellmann K. A Survey of Methods for Groundwater Recharge in Arid and

Semi-arid regions. Early Warning and Assessment Report Series, 2002

UNEP/DEWA/RS.02-2. United Nations

Environment Programme, Nairobi, Kenya. ISBN 92-80702131-3

UNESCO - IAEA. Environmental Isotopes in the hydrological cycle. Principles and appli-

cations, IHP-V Technical Documents in Hydrology, 2001, Nº 39.

Maloszewski P and Zuber A. Lumped parameter models for the interpretation of

environmental tracer data, IAEA, Manual on mathematical models in isotope

hydrogeology, 1996.

Morgenstern U. Wairarapa Valley Groundwater – Residence time, flow pattern and

hydrochemistry trends. Institute of Geological & Nuclear Sciences Science Report, 2005,

33, 36 p

Morgenstern U and Taylor C.B. Ultra low-level tritium measurement using electrolytic

enrichment and LSC, Isotopes in Environmental and Health Studies, 2006 , Volume 45,

Issue 2, pp 96 - 117

Morgenstern U and Gordon D. Prediction of Future Nitrogen Loading to Lake Rotorua, GNS

Science Report 2006/10, 28 p.

Nicolini E, Le tritium dans les précipitations relevées dans l'Océan Indien occidental, Eau du

Quebec, 1982, Volume 15, No 1.

Olive P, Hubert P, Ravailleau S. Estimation pratique de «l'âge» des eaux souterraines en

Europe par le tritium, Revue des Sciences de l'Eau, 1996, Issue 4, pp 523 - 533.

73

Stewart M.K and Talyor C.B. Environemental isotopes in New Zealand hydorlogy. New

Zealand Journal of Science, 1981, Volume 24, pp 295 - 311.

Violette S, Ledoux E, Goblet P, Carbonnel J-P. Hydrologic and thermal modeling of an active

volcano : the Piton de la Fournaise, Reunion. Journal of Hydrology 191, 1997, pp 37 - 63.

Weiss W, Roether W. The rates of tritium input to the world oceans, Earth and Planetary

Science Letters, 1980, 49 pp 435 - 446.

74

IX. Annexes

75

ANNEXE 1 : RESULTATS CHIMIQUES ET ISOTOPIQUES

Numéro Nom DateAltitude (m NGR)

Profondeur atteinte

Age Moyen (ans)Température

(°C)pH terrain pH lab

Conductivité (

O2 (mg/l)

1 Domenjod 16/10/2007 21,6 8,2 133 8,01 Domenjod 28/10/2008 21,6 1441 Domenjod 10/11/2009 21,0 1462 Chaudron 16/10/2007 23,8 7,0 211 7,02 Chaudron 28/10/2008 24,1 2092 Chaudron 10/11/2009 23,5 2073 Apollon 16/10/2007 20,4 7,8 142 7,73 Apollon 28/10/2008 20,6 1493 Apollon 4/11/2009 20,4 7,9 1544 Careau Coton 16/10/2007 22,7 8,3 146 8,44 Careau Coton 28/10/2008 22,8 1664 Careau Coton 12/11/2009 23,5 7,3 1575 Les Cafˇs 16/10/2007 24,6 7,4 218 7,05 Les Cafˇs 28/10/2008 24,8 2325 Les Cafˇs 12/11/2009 25,4 7,2 2296 PM 1077 17/10/2007 18,8 8,4 8,3 99 9,26 PM 1077 21/5/2008 19,4 1136 PM 1077 30/10/2008 19,6 8,2 117 9,06 PM 1077 22/10/2009 20,0 8,1 106 9,97 PM 763 17/10/2007 20,4 9,3 8,9 126 8,37 PM 763 21/5/2008 20,2 7,9 141 9,07 PM 763 30/10/2008 20,2 8,2 105 9,07 PM 763 22/10/2009 20,2 8,5 132 9,18 PM 3000 17/10/2007 26,8 9,8 10,5 118 5,38 PM 3000 21/5/2008 26,9 8,0 225 9,08 PM 3000 30/10/2008 27,0 9,9 163 4,28 PM 3000 22/10/2009 24,5 10,0 132 5,99 PM 1238 17/10/2007 19,6 9,0 9,0 102 8,69 PM 1238 21/5/2008 19,7 10,3 109 7,59 PM 1238 30/10/2008 19,7 8,6 110 8,79 PM 1238 22/10/2009 19,7 8,9 105 9,010 Riv ST Denis 18/10/2007 20,8 8,9 10710 Riv ST Denis 21/5/2008 18,8 8,5 110 9,210 Riv ST Denis 5/10/2008 21,2 8,3 109 9,110 Riv ST Denis 3/11/2009 21,2 8,0 10811 Casc chaudron 18/10/2007 18,1 8,4 8,3 78 10,211 Casc chaudron 5/10/2008 17,5 8,7 80 10,511 Casc chaudron 23/10/2009 18,5 8,5 9812 Riv des Pluies 19/10/2007 17,6 8,2 8,2 92 10,012 Riv des Pluies 21/5/2008 16,9 9012 Riv des Pluies 31/10/2008 17,6 9212 Riv des Pluies 20/11/2009 19,3 9013 Rav Blanche Salazie 25/10/2007 9,213 Rav Blanche Salazie 28/10/2008 15,3 7513 Rav Blanche Salazie 31/10/2009 15,8 7,9

14 Pluies Plaine des Foug¸res

1/5/2008

14 Pluies Plaine des Foug¸res 1/10/2008


26

197 260

30

427

79 110

74 135

350

350

350

350

1290

74

413

616

1135

82

27

10

84

30

120

77

147

35

93

60

75

26

76

Numéro Nom Date 18O (‰) ErrAltitude moy infiltration

2H (‰) Err TR (UT) Err TR 14C (pmc) Err

1 Domenjod 16/10/2007 -5,17 1032 -29,1 0,6 0,417 100,1 0,41 Domenjod 28/10/2008 -5,15 1020 -28,9 0,384 0,0291 Domenjod 10/11/2009 -5,17 1032 -28,4 0,362 0,0222 Chaudron 16/10/2007 -5,13 1007 -29,5 0,4 0,730 103,38 0,432 Chaudron 28/10/2008 -5,15 1020 -30,2 0,682 0,0312 Chaudron 10/11/2009 -4,99 921 -27,0 0,622 0,0273 Apollon 16/10/2007 -4,57 0,02 662 -23,2 0,6 0,878 105,24 0,323 Apollon 28/10/2008 -4,56 656 -23,8 0,768 0,0363 Apollon 4/11/2009 -4,55 649 -21,9 0,799 0,0284 Careau Coton 16/10/2007 -4,46 0,00 594 -22,3 0,2 0,389 89,14 0,44 Careau Coton 28/10/2008 -4,40 557 -22,2 0,396 0,0304 Careau Coton 12/11/2009 -4,36 532 -20,8 0,324 0,0235 Les Cafˇs 16/10/2007 -3,94 273 -20,0 0,2 0,747 103,67 0,465 Les Cafˇs 28/10/2008 -3,86 224 -18,2 0,648 0,0305 Les Cafˇs 12/11/2009 -3,86 224 -17,8 0,598 0,0276 PM 1077 17/10/2007 -6,21 1674 -36,3 0,3 0,289 97,41 0,366 PM 1077 21/5/2008 -6,02 1556 -36,4 0,236 0,0256 PM 1077 30/10/2008 -6,24 1692 -35,5 0,169 0,0216 PM 1077 22/10/2009 -6,20 1667 -35,3 0,215 0,0207 PM 763 17/10/2007 -6,05 1575 -36,1 0,1 0,297 97,32 0,37 PM 763 21/5/2008 -5,81 1427 -34,9 0,340 0,0247 PM 763 30/10/2008 -6,04 1569 -35,4 0,305 0,0277 PM 763 22/10/2009 -6,02 1556 -33,9 0,386 0,0248 PM 3000 17/10/2007 -5,74 1384 -30,9 0,1 0,058 63,4 0,318 PM 3000 21/5/2008 -5,64 1322 -28,9 0,014 0,020 54,028 PM 3000 30/10/2008 -5,83 1439 -30,5 0 0,023 52,18 PM 3000 22/10/2009 -5,74 1384 -29,5 0,061 0,024 61,29 PM 1238 17/10/2007 -5,63 1316 -31,2 0,6 0,323 94,4 0,359 PM 1238 21/5/2008 -5,47 1217 -31,2 0,3019 PM 1238 30/10/2008 -5,61 1303 -29,5 0,316 0,027 92,79 PM 1238 22/10/2009 -5,53 1254 -29,5 0,328 0,024 92,310 Riv ST Denis 18/10/2007 -5,87 1464 -34,4 0,1 0,511 102,37 0,410 Riv ST Denis 21/5/2008 -5,78 1408 -34,6 0,496 0,02810 Riv ST Denis 5/10/2008 -5,91 1488 -33,5 0,488 0,02810 Riv ST Denis 3/11/2009 -5,87 1464 -31,4 0,449 0,02511 Casc chaudron 18/10/2007 -6,00 1544 -34,0 0,2 0,450 97,93 0,7811 Casc chaudron 5/10/2008 -6,02 1556 -34,7 0,438 0,02811 Casc chaudron 23/10/2009 -6,04 1569 -33,0 0,398 0,02512 Riv des Pluies 19/10/2007 -5,84 1445 -33,6 0,4 0,731 104,67 0,3312 Riv des Pluies 21/5/2008 -5,85 1451 -34,3 0,760 0,03412 Riv des Pluies 31/10/2008 -5,88 1470 -32,6 0,744 0,03312 Riv des Pluies 20/11/2009 -5,77 1402 -31,1 0,698 0,02713 Rav Blanche Salazie25/10/2007 -6,32 1741 -36,2 0,7 0,662 104,01 0,4113 Rav Blanche Salazie28/10/2008 -6,35 1760 -35,9 0,709 0,03213 Rav Blanche Salazie31/10/2009 -6,32 1741 -35,0 0,609 0,030


-6,68 -42,2


-2,77 -5,10


-2,81 -4,5

77

Numéro Nom Date 13C (‰) SF6 (pptv)CFC 11 (pptv)

ErrCFC 12 (pptv)

ErrAr

(mL(STP)/kg)

ErrN2

(mL(STP)/kg)

Err

1 Domenjod 16/10/2007 -14,7 0,17 46 0,7 58,5 0,4 0,328 0,003 12,45 0,061 Domenjod 28/10/2008 0,01 Domenjod 10/11/2009 0,02 Chaudron 16/10/2007 -15,5 5,15 2932 263,0 511,0 16,2 0,309 0,003 11,83 0,032 Chaudron 28/10/2008 0,02 Chaudron 10/11/2009 0,03 Apollon 16/10/2007 -18,2 7,14 222 5,7 473,0 11,5 0,303 0,001 11,03 0,153 Apollon 28/10/2008 0,03 Apollon 4/11/2009 0,04 Careau Coton 16/10/2007 -17,9 0,13 152 4,3 53,4 0,7 0,325 0,001 12,51 0,204 Careau Coton 28/10/2008 0,04 Careau Coton 12/11/2009 0,05 Les Cafˇs 16/10/2007 -12,1 1,38 309 17,8 514,0 19,9 0,310 0,003 14,95 0,165 Les Cafˇs 28/10/2008 0,05 Les Cafˇs 12/11/2009 0,06 PM 1077 17/10/2007 -17,1 0,57 18 2,3 43,0 8,2 0,320 0,000 13,08 0,776 PM 1077 21/5/2008 0,06 PM 1077 30/10/2008 0,06 PM 1077 22/10/2009 0,07 PM 763 17/10/2007 -17,8 0,84 91 0,2 231,0 0,8 0,314 0,003 14,00 0,247 PM 763 21/5/2008 0,07 PM 763 30/10/2008 0,07 PM 763 22/10/2009 0,08 PM 3000 17/10/2007 -17,4 0,49 1 0,0 1,0 0,4 0,340 0,007 13,44 0,218 PM 3000 21/5/2008 -18,18 PM 3000 30/10/2008 -19,08 PM 3000 22/10/2009 -18,59 PM 1238 17/10/2007 -16,1 67,10 46 1,6 206,0 6,5 0,322 0,006 12,21 0,169 PM 1238 21/5/20089 PM 1238 30/10/2008 -8,99 PM 1238 22/10/2009 -16,810 Riv ST Denis 18/10/2007 -9,5 8,09 223 3,2 495,0 6,4 0,323 0,005 12,41 0,2410 Riv ST Denis 21/5/2008 0,010 Riv ST Denis 5/10/2008 0,010 Riv ST Denis 3/11/2009 0,011 Casc chaudron 18/10/2007 -16,3 1,85 81 4,8 185,0 10,6 0,339 0,004 13,39 0,1311 Casc chaudron 5/10/2008 0,011 Casc chaudron 23/10/2009 0,012 Riv des Pluies 19/10/2007 -8,0 9,00 216 1,7 483,0 4,0 0,321 0,003 12,20 0,2312 Riv des Pluies 21/5/2008 0,012 Riv des Pluies 31/10/2008 0,012 Riv des Pluies 20/11/2009 0,013 Rav Blanche Salazie 25/10/2007 -12,5 202 8,2 450,0 11,4 0,314 0,001 11,60 0,3513 Rav Blanche Salazie 28/10/2008 0,013 Rav Blanche Salazie 31/10/2009 0,0




78

Concentrations en mg/L

Numéro Nom Date HCO 3- F- Cl - NO 2- BR- NO3- PO4

2- SO42- Ca2+ Mg 2+ Na+ K+ Si

1 Domenjod 16/10/2007 73,2 0,01 4,95 3,74 1,16 11,51 6,15 9,61 1,20 29,31 Domenjod 28/10/2008 72,0 0,11 4,60 2,08 1,28 11,41 6,44 9,93 1,28 31,51 Domenjod 10/11/2009 76,9 0,04 3,50 0,054 1,01 0,12 1,13 10,60 4,44 9,42 1,21 28,02 Chaudron 16/10/2007 65,9 0,08 13,22 29,09 9,36 13,84 8,44 15,83 2,35 47,22 Chaudron 28/10/2008 64,7 0,18 11,32 21,08 7,67 12,72 8,48 15,66 2,48 47,22 Chaudron 10/11/2009 66,5 0,10 9,09 19,18 8,02 11,94 5,48 15,08 2,28 43,13 Apollon 16/10/2007 58,6 0,00 7,26 13,93 0,94 13,58 5,85 7,41 0,95 32,53 Apollon 28/10/2008 58,6 0,11 7,54 11,34 1,19 13,41 6,14 7,70 0,99 33,83 Apollon 4/11/2009 59,2 0,02 5,97 12,16 0,14 0,95 12,69 4,03 7,36 0,89 32,94 Careau Coton 16/10/2007 74,4 0,00 6,59 2,90 1,61 10,19 7,31 11,60 0,92 23,04 Careau Coton 28/10/2008 76,3 0,11 7,33 2,72 1,81 10,32 8,52 12,36 1,08 24,24 Careau Coton 12/11/2009 76,3 0,02 5,62 0,031 2,41 0,15 1,59 9,37 5,23 11,27 1,01 23,25 Les Cafˇs 16/10/2007 90,3 0,03 15,22 15,08 3,42 17,32 8,42 16,00 1,75 53,65 Les Cafˇs 28/10/2008 89,1 0,13 15,50 12,38 3,48 17,53 9,26 16,91 1,90 52,25 Les Cafˇs 12/11/2009 90,3 0,37 25,16 15,68 5,68 26,55 9,62 26,21 2,88 52,96 PM 1077 17/10/2007 59,8 0,01 2,01 0,51 0,61 8,75 5,10 6,28 1,25 38,66 PM 1077 21/5/2008 63,4 0,07 3,11 0,25 0,79 7,98 5,12 5,96 1,45 39,06 PM 1077 30/10/2008 59,8 0,11 2,46 0,57 0,85 8,30 5,35 6,72 1,45 36,76 PM 1077 22/10/2009 59,8 0,07 2,26 0,94 0,16 0,70 7,75 5,08 6,06 1,37 37,47 PM 763 17/10/2007 73,2 0,01 2,47 0,70 0,77 7,49 4,19 16,29 0,21 38,07 PM 763 21/5/2008 78,7 0,07 2,64 0,25 0,57 8,85 5,98 9,92 1,45 36,17 PM 763 30/10/2008 72,0 0,11 2,74 0,77 1,00 9,29 6,26 10,18 1,44 39,07 PM 763 22/10/2009 75,0 0,06 2,63 1,12 0,11 0,79 8,56 5,82 9,38 1,36 36,38 PM 3000 17/10/2007 40,9 0,09 1,74 0,60 0,76 3,20 0,08 22,92 0,83 13,58 PM 3000 21/5/2008 42,7 0,60 3,25 0,08 1,05 0,70 0,00 37,17 0,67 17,48 PM 3000 30/10/2008 43,3 0,36 2,65 0,49 1,16 0,57 0,03 29,23 0,80 16,68 PM 3000 22/10/2009 67,1 0,16 1,83 0,78 0,73 1,72 0,19 25,62 0,90 13,69 PM 1238 17/10/2007 56,7 0,01 2,16 0,65 0,57 9,02 4,87 6,13 1,84 25,29 PM 1238 21/5/2008 58,6 0,05 2,72 0,31 0,61 7,56 4,44 6,19 1,87 24,29 PM 1238 30/10/2008 58,6 0,11 2,55 0,65 0,79 8,09 4,85 6,82 1,93 26,59 PM 1238 22/10/2009 59,8 0,06 2,29 1,02 0,77 7,56 4,57 6,78 1,81 23,010 Riv ST Denis 18/10/2007 58,0 0,00 2,48 0,27 0,68 9,90 5,75 4,75 0,64 24,610 Riv ST Denis 21/5/2008 59,8 0,00 3,60 0,17 0,77 8,70 5,84 4,63 0,80 23,110 Riv ST Denis 5/10/2008 57,3 0,00 2,75 0,88 8,98 5,83 4,92 0,71 25,910 Riv ST Denis 3/11/2009 58,0 0,02 2,16 0,16 0,15 0,60 8,37 3,85 4,64 0,66 22,911 Casc chaudron 18/10/2007 41,5 0,00 1,65 0,52 0,49 7,57 3,85 3,97 0,88 24,011 Casc chaudron 5/10/2008 40,3 0,11 2,12 0,50 0,71 6,58 3,72 3,98 0,98 24,611 Casc chaudron 23/10/2009 44,5 0,04 1,59 0,45 0,45 6,25 3,70 3,98 0,96 27,412 Riv des Pluies 19/10/2007 52,5 0,00 1,44 0,36 0,56 8,42 3,94 5,73 0,87 26,212 Riv des Pluies 21/5/2008 51,2 0,02 1,88 0,21 0,56 7,22 3,43 5,33 0,98 24,312 Riv des Pluies 31/10/2008 50,6 0,11 1,81 0,76 7,69 3,96 5,96 0,97 27,012 Riv des Pluies 20/11/2009 50,6 0,03 1,16 0,49 7,08 2,65 5,58 0,88 1,813 Rav Blanche Salazie25/10/2007 42,7 0,00 0,98 0,34 0,73 7,48 2,62 5,09 1,50 28,413 Rav Blanche Salazie28/10/2008 43,3 0,11 1,47 0,89 6,51 2,54 5,11 1,51 27,013 Rav Blanche Salazie31/10/2009 42,7 0,04 0,78 0,06 0,09 0,66 5,99 1,81 4,96 1,38 30,6



0,12 2,91 0,00 0,77 0,37 0,26 1,74 0,22


79

ANNEXE 2 : PRINCIPES ET THEORIE SUR LA DATATION

Les modèles inverses ou à "boîtes noires" reposent sur un processus d'ajustement par essai

- erreur des paramètres de l'aquifère entre des données expérimentales et modélisées. Cela

suggère la connaissance des entrées et sorties du système et avoir des pré requis ou et

hypothèses sur leurs relations afin de les représenter par des modèles mathématiques

décrivant les écoulements. La connaissance de ces relations doit être validée sur la base

d'informations géologiques, hydrogéologiques ou hydrochimiques qui permettent d'en justifier

l'utilisation.

La concentration en tritium (Cout) dans un échantillon prélevé en sortie de système aura pour

forme

Cout t( )= Cin t − t ,( )g t,( )0

∞

∫ e−λ t ,( )dt,

(Maloszewski & Zuber 1994)

avec t', le temps de transit et (t – t'), le temps écoulé depuis l'entrée dans le système.

La fonction g(t') est une fonction de répartition / de pondération des temps de séjour des eaux

(ou du traceur).

La fonction de transfert est la représentation mathématique d'un modèle conceptuel des

hydrosystèmes. Elle définit la distribution des temps de séjour du traceur et de manière plus

large, celle des eaux si l'on considère qu'il n'y a pas de zones stagnantes dans l'aquifère.

De manière générale, on peut considérer deux extrêmes sur la façon dont les eaux

souterraines circulent : le modèle piston et le modèle exponentiel.

80

1. LE MODELE PISTON

Dans le modèle piston, on considère que toutes les lignes de flux ont le même temps de

transit. Cela revient à imaginer un écoulement dans un conduit où il n'y aurait pas de

frottements contre les parois. Ainsi, en un point donné, toutes les eaux des différentes lignes

de courant ont le même âge. La fonction de distribution des temps de séjour prend donc la

forme d'une fonction Dirac centrée sur l'âge moyen des eaux (τ) (Figure 48).

Figure 48 : Schéma conceptuel (d'après Morgenstern 2005) d'un écoulement de type piston et la fonction de transfert associée pour un temps de sejour ττττ donné. Elle montre qu'au temps t, seule la concentration d'une pluie infiltrée au temps t - ττττ prendra part dans la concentration en traceur en sortie du système.

2. LE MODELE EXPONENTIEL

Dans le modèle exponentiel, on suppose une distribution exponentielle des temps de

séjours des eaux au niveau du prélèvement. Ainsi coexistent des eaux aux âges infiniment

petits et grands au niveau du point de prélèvement (Figure 49).

81

Figure 49 : Schéma conceptuel (d'après Morgenstern 2005) d'un écoulement de type exponentiel et la fonction de transfert associée pour un temps de résidence moyen ττττ donné.

La fonction de réponse du EM montre que le modèle n'est pas applicable aux systèmes dans

lesquels des lignes de flux infinitésimalement courtes ne peuvent exister. En d’autres termes,

le EM n’est pas applicable quand les échantillons sont pris bien en dessous de la surface du

sol, c'est-à-dire à partir de forages crépinés à de grandes profondeurs, de galeries ou de

sources artésiennes.

Les temps de résidence moyen des modèles Piston et Exponentiel est le seul paramètre

définissant la fonction de répartition des temps de transit et donc le seul sur lequel sont

réalisés les essais - erreurs pour caler le modèle.

3. LE MODELE EXPONENTIEL - PISTON

C'est la combinaison des deux modèles précédents c'est-à-dire que l'on prend en compte un

délai dans l'âge des lignes de flux les plus courtes. On suppose que l'aquifère est constitué de

deux parties avec des comportements exponentiel et piston alignées (Figure 50). L'utilisation

du modèle exponentiel - piston est justifié dans le cadre de cette étude par le fait que la

plupart des échantillons sont prélevés dans des secteurs où l'épaisseur de la zone non saturée

est conséquente (plusieurs centaines de mètres parfois).

82

Figure 50 : Schémas conceptuels d'écoulements de type exponentiel - piston avec une forte épaisseur de zone non saturée ou une portion d'aquifère confiné (modifié d'après Morgenstern 2005).

La fonction de distribution des temps de transit (Figure 51) montre clairement que des

eaux récentes n'interviennent pas dans les eaux prélevées car l'écoulement de type piston,

dans la zone non saturé comme dans une nappe captive, engendre un retard dans l'arrivée des

eaux.

Deux paramètres conditionnent la fonction de distribution : l'âge moyen des eaux ττττ et la

part de flux de type exponentiel ηηηη.

La Figure 52 montre différentes fonctions de distribution pour un âge moyen de 50 ans

et des parts d'écoulement exponentiel variables. Plus l'écoulement est de type piston (η

faible), plus la courbe prend l'allure d'une fonction Dirac.

83

Figure 51 : Fonction de distribution des temps de transit pour un écoulement de type exponentiel - piston. Dans ce cas, la part du flux de type exponentiel (ηηηη) est de 50 % c'est-à-dire que l'écoulement de type piston intervient à la moitié de l'âge moyen ττττ.

Figure 52 : Différentes fonctions de distribution des temps de transit pour un même âge moyen et différentes valeurs de la proportion d'écoulement exponentiel (ηηηη).

η

84

Kinzelbach W, Aeschbach W, Alberich C, Goni I.B, Beyerle U, Brunner P, Chiang W.-H,

Rueedi J, and Zoellmann K. A Survey of Methods for Groundwater Recharge in Arid and

Semi-arid regions. Early Warning and Assessment Report Series, 2002,

UNEP/DEWA/RS.02-2. United Nations Environment Programme, Nairobi, Kenya. ISBN

92-80702131-3

85

ANNEXE 3 : CORRELATIONS DES DONNEES TRITIUM ENTRE L' ILE

MAURICE ET LA NOUVELLE-ZELANDE

Savina (SE) vs Kaitoke

y = 0,46x + 0,65

R2 = 0,23

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5

Kaitoke

Highlands (Centre) vs Kaitoke

y = 0,42x + 0,76

R2 = 0,14

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5

Kaitoke

Goodend (S) vs Kaitoke

y = 0,47x + 0,67

R2 = 0,21

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

3,5

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5

Kaitoke

86

St Antoine (NE) vs Kaitoke

y = 1,01x + 0,45

R2 = 0,05

0

2

4

6

8

10

12

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5

Kaitoke

Medine (W) vs Kaitoke

y = -1,20x + 5,29

R2 = 0,04

0

2

4

6

8

10

12

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5

Kaitoke

87

ANNEXE 4 : RELATIONS CHIMIE - TEMPS DE RESIDENCE

ÉTUDE TECHNIQUE DATATION D ECHANTILLONS D EAUX PAR …

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