Département de génie civil (Laboratoire de géologie de l'ingénieur et de l'environnement GEOLEP)

Typologie des aquifères du cristallin : exemple des massifs des Aiguilles rouges et du Mont-blanc (France, Italie et Suisse)

Dubois, Jean-Daniel ; Gabus, Jacques-Henri (Dir.)

Thèse Ecole polytechnique fédérale de Lausanne EPFL : 1991 ; no 950.

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    Summary
    This hydrogeological study of the crystalline aquifers of the Mont-Blanc and the Aiguilles Rouges massifs is part of the AQUITYP project, which has been carried out at the Geology Laboratory of the Swiss Federal Institute of Technology, Lausanne (GEOLEP). This study has encompassed the observation, sampling and systematic chemical analysis of more than 160 surface and groundwaters. Many of the springs are located within the numerous galleries and tunnels which cut the crystalline massifs of this region. The Mont-Blanc and the Aiguilles Rouges massifs, situated at the borders of France, Switzerland and Italy, are part of the "extreme crystalline" massifs of the western alpine arc. They are formed by a succession of metamorphic and complex eruptive rocks, mostly of the gneissic and granitic types of the Hercynien Age. The study of the regional groundwater systems necessitated the setting of an extensive observation network, with different investigative levels, with the aim of acquiring information on the time and space variations of the hydrogeological parameters. The groundwaters and surface waters (streams, snow, rain and soil wear), as well as the characteristics of the rocks, were the object of complete chemical analyses (both major and trace elements). Finally, laboratory tests of rock powder dissolution (lixivation) were carried out in order to simulate the mineralization of the groundwater and to decipher the origin of the dissolved ions. The chemical analyses of the major and trace elements of the surface waters (snow, rain and soil) showed that, with the exception of chloride, nitrate and barium, the dissolved solids revealed much lower concentrations than the least mineralized groundwater observed in all of the massifs. However, stream waters showed relatively similar characteristics to those of the groundwaters. More than 85% of the observed groundwaters were at a temperature less than 12°C, while the subthermal (between 12 and 20°C) and thermal water (>20°C) represented 5 and 10% of the springs, respectively. The springs observed at the surface as well as in the galleries could reach more than 4000 l/min. The total mineralization of the groundwaters studied varied h m 20 to 650 mg/l, with an average of 90 mg/l. The chemical classication of the groundwaters showed that more than 90% of the springs were of the calcium bicarbonate type, 8.5% of the calcium sulfate type and 1.5% of the sodium chloride type. Time variations studies showed large fluctuations of flow rate in all of the observed cases, with peak values generally corresponding to periods of important snow thaw at high altitude (May to July), while the lower values corresponded roughly to low air temperatures (as all of the precipitations were stored as snow). In Comparison to the large variations in flow rate, the temperatures showed a generally stable behavior pattern, while the mineralization of the water in the granitic aquifers showed small, but significant, variations. Tracer tests at high altitude showed water circulations from the Helbronner peak (Mont-Blanc Massif, altitude of 3470 m) to the Mont-Blanc Tunnel. These tests revealed the discontinuous character of the permafrost and high velocities of groundwater infiltration. The observation of the spatial variation of all of the available physical and chemical parameters permitted a typological synthesis of the principal aquifer sub-types of the Mont-Blanc and the Aiguilles Rouges massifs. Hydraulic typology: The granitic aquifers showed high permeabilities, due to the influence of both micro and macro tectonic discontinuities. The gneissic aquifers are characterized essentially by homogeneous flow with low permeability, which is linked to systems of micro tectonic discontinuities. Hydrochemical typology: The analysis of major and trace elements showed a certain number of natural tracers for the three principal aquifer sub-types: The waters originating from the granitic aquifers of the Mont-Blanc Massif are very strongly marked by the presence of molybden, tungsten, fluoride, uranium and sodium. Uranium is clearly represented if related to the deep aquifers with rapid flow (recent water). The waters of the gneissic aquifers of the Mont-Blanc Massif show, overall, a small anomaly of arsenic while the gneissic aquifers of the Aiguilles Rouges Massif are marked by slightly higher concentrations of barium and magnesium. The markers of the principal sub-types were verified and confirmed by an analysis of principal components. The spring of Brocard (Martigny, VS, Switzerland), which was installed at the initial phase of the AQUITYP project for the characterization of the crystalline aquifers, showed itself to be representative of the characteristics of the gneissic aquifers of the Mont-Blanc and the Aiguilles Rouges massifs and non representative of the deep granitic aquifers of the Mont-Blanc. The comparison with other crystalline aquifers of the west alpine arc showed that the principal markers of the granitic aquifers of the Mont-Blanc (fluoride, uranium and sodium) were also found in the Aar and the Belledonne massifs. However, relatively small similarities were found with the deep aquifers of the crystalline basement in the north of Switzerland, which is the seat of deep and slow flow of thermomineral water. In contrary, the aquifers of the Mont-Blanc, Aar and Belledonne massifs are mostly characterized by rapidly renewed flows. The comparison with other aquifer groups of the AQUITYP network showed no significant hydrochemical similarities. The slightly mineralized water of the crystalline rocks, compared to the waters of the AQUITYP cross-section which contain globally much more dissolved minerals, revealed that lithium, fluoride, boron, arsenic, rubidium, tungsten and uranium are found in higher concentrations than in the reference network. These last elements may be considered as special markers for the crystalline, compared to the more mineralized groundwaters. This should be verified by the study of other springs which will be added in the AQUITYP network. The knowledge of the simple aquifer structures obtained in this study of the crystalline of the Mont-Blanc and the Aiguilles Rouges massifs allows a better comprehension of the complex hydrogeological conditions which often include mixture phenomena among several types of aquifers with different lithological characteristics. Such knowledge is one of the tools which permit the determination of the origin of water sources, particularly in underground construction projects.
    Résumé
    Cette étude hydrogéologique des aquifères du cristallin des massifs du Mont-Blanc et des Aiguilles Rouges s'inscrit dans le cadre du projet AQUITYP mené depuis plusieurs années au Laboratoire de géologie de l'Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne (GEOLEP). Elle a impliqué l'observation, l'échantillonnage et l'analyse systématique de plus de 160 points d'eau souterraine et de surface. Une grande partie des émergences d'eau souterraine sont en relation avec de très nombreuses galeries et tunnel qui traversent les massifs de la région. Les massifs du Mont-Blanc et des Aiguilles Rouges, situés aux frontières française, italienne et suisse, font partie des massifs "cristallins externes" de l'arc alpin occidental. Ils sont formés d'un cortège de roches métamorphiques et éruptives complexes, essentiellement de type gneissique et granitique d'âge hercynien. L'étude des eaux souterraines de la région a nécessité la mise en place d'un important réseau d'observation, à différents niveaux d'investigations, dans le but d'acquérir des informations sur les variations temporelles et spatiales des paramètres hydrogéologiques. Les eaux souterraines et de surface (torrents, neiges, pluies et eaux de percolation des sols) ainsi que des roches caractéristiques ont été l'objet d'analyses chimiques complètes (éléments majeurs et en traces). Enfin, des tests de mise en solution de poudre de roche (lixiviation) ont été effectués dans le but de simuler en laboratoire la minéralisation des eaux souterraines et de préciser l'origine des ions en solution. L'analyse chimique des éléments majeurs et en traces des eaux de surface (neiges, pluies et sols) a montré qu'à l'exception des chlorures, des nitrates et du baryum, les composés chimiques possédaient des concentrations nettement inférieures aux eaux souterraines les moins minéralisées observées sur l'ensemble des massifs. Par contre, les eaux des torrents ont présenté des caractéristiques relativement semblables aux eaux souterraines. Plus de 85 % des eaux souterraines observées possèdent des températures inférieures à 12 °C, alors que les eaux subthermales (entre 12 et 20 °C) et thermales (> 20 °C) représentent respectivement 5 et 10 % des émergences. Les débits des sources observés en surface comme en galeries peuvent atteindre plus de 4000 l/mn. La minéralisation totale des eaux souterraines étudiées est en moyenne de 90 mg/l et varie de 20 à 650 mg/l. La classification chimique des eaux souterraines fait apparaître que plus de 90 % des sources sont de type bicarbonaté calcique, 8.5 % de type sulfaté calcique et 1.5 % de type chloruré sodique. L'étude des variations temporelles indique, dans tous les cas observés, d'importantes fluctuations des débits, dont les crues sont essentiellement en relation avec les modes de fortes fontes des neiges en altitude (mai à juillet), alors que les basses eaux se manifestent parallèlement aux très faibles températures de l'air (l'ensemble des précipitations étant stocké sous forme de neige). Contrairement aux variations importantes des débits, les températures ont montré d'une manière générale une forte stabilité de leur comportement, alors que la minéralisation des eaux des aquifères granitiques a été l'objet de faibles, mais significatives variations. Des essais de traçage en haute montagne ont notamment mis en évidence des circulations à partir de la pointe Helbronner (massif du Mont-Blanc italien, altitude 3470 m) jusque dans le tunnel sous le Mont-Blanc. Ce traçage a démontré le caractère discontinu du pergélisol et des vitesses très élevées de transit des eaux souterraines. L'observation de la variation spatiale de l'ensemble des paramètres physico-chimiques disponibles a permis de déboucher sur une synthèse typologique des principaux sous-types d'aquifères du cristallin des massifs du Mont-Blanc et des Aiguilles Rouges. Typologie hydraulique: Les aquifères granitiques ont montré des perméabilités beaucoup plus élevées, dues à l'influence à la fois de micro et de macrodiscontinuités tectoniques. Les aquifères gneissiques sont caractérisés essentiellement par des écoulements homogènes à faible perméabilité, liée à des systèmes de microdiscontinuités tectoniques. Typologie hydrochimique: L'analyse des éléments majeurs et en traces a mis en évidence un certain nombre de marqueurs naturels spécifiques aux trois principaux sous-types d'aquifères: Les eaux issues des aquifères granitiques du Mont-Blanc sont très fortement marquées par la présence de molybdène, de tungstène, de fluor, d'uranium et de sodium. L'uranium est d'autant mieux représenté s'il est en relation avec des aquifères profonds à renouvellements rapides (eaux "jeunes"). Les eaux des aquifères gneissiques du massif du Mont-Blanc présentent dans l'ensemble une légère anomalie en arsenic, alors que les aquifères gneissiques des Aiguilles Rouges sont marqués par des concentrations sensiblement plus élevées en baryum et magnésium que dans les autres types d'aquifères. Les marqueurs de ces principaux sous-types ont été vérifiés et confirmés par une analyse en composantes principales. La source du Brocard (Martigny, VS), qui avait été installée, au début du projet AQUITYP, pour caractériser a priori les aquifères du cristallin, s'est révélée, au terme de cette recherche, représentative des caractéristiques des aquifères gneissiques des massifs du Mont-Blanc et des Aiguilles Rouges, mais non représentative des aquifères granitiques profonds du Mont-Blanc. La comparaison avec d'autres aquifères cristallins de l'arc alpin occidental a montré que les principaux marqueurs des aquifères granitiques du Mont-Blanc (fluor, uranium et sodium) ont été également retrouvés dans les massifs de l'Aar et de Belledonne. Il n'existe cependant que très peu de parenté avec les aquifères profonds du socle cristallin du nord de la Suisse, qui sont le siège de circulations lentes d'eau thermominérale profonde, par opposition aux aquifères des massifs du Mont-Blanc, de l'Aar et de Belledonne caractérisés par des écoulements à fort taux de renouvellement. La comparaison avec les autres groupes d'aquifères du réseau AQUITYP n'a montré aucun lien de parenté hydrochimique significatif. Les eaux très faiblement minéralisées du cristallin, face à des eaux de la géotraverse d'AQUITYP, globalement beaucoup plus chargées en sels minéraux, ont fait apparaître très nettement que l'arsenic, le rubidium, le tungstène et l'uranium présentent des étendues de concentration supérieures à celles du réseau de référence. Ces derniers éléments peuvent être considérés, en première approche, comme des marqueurs privilégiés du cristallin face à des eaux souterraines plus minéralisées. Ils devront être vérifiés par l'étude d'autres points d'eau qui compléteront l'actuel réseau AQUITYP. Les connaissances acquises des structures aquifères simples étudiées dans le cristallin des massifs du Mont-Blanc et des Aiguilles Rouges permettent d'aborder et de mieux comprendre des conditions hydrogéologiques complexes, qui font intervenir très souvent des phénomènes de mélange entre plusieurs types d‚aquifères à caractères lithologiques différents. Elles constituent des outils qui peuvent permettent de déterminer l'origine des venues d'eau, en particulier dans le cadre de travaux souterrains.