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

Typologie des eaux souterraines du Flysch de la nappe tectonique du Niesen (Préalpes suisses)

Basabe-Rodriguez, Pedro Pablo ; Gabus, Jacques-Henri (Dir.)

Thèse Ecole polytechnique fédérale de Lausanne EPFL : 1992 ; no 1073.

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    Summary
    The typology of the underground waters of the flyschs of the Niesen and Gurnigel tectonic nappes form part of the AQUITYP project which has been worked on by the geology laboratory of the Swiss Federal Institute of Technology in Lausanne since 1981. Its principal aim is the hydrogeological and geochemical characterisation of several types of aquifers of alpine origin. Amongst the alpine flyschs, that of Niesen (composed essentially of three subdivisions: Frutigen, Niesenkulm and Seron from the Maastrichtian age) with its important conglomerate and limestone facies, as well as the Gurnigel flysch (Maastrichtian-Eocene) with its sandy limestone facies, favour underground water movements. The Niesen nappe also includes, as a discontinuity (intra-nappe limit), an "ante-flysch" lower layer formed of disparate and discontinuous ground between the Triassic and Cretaceous ages. It is limited tectonically by the Ultrahelvétique region to the SE (periphery) and the submedian zone to the NW. Seventy-six underground flysch ground water outlets have been treated. They form the spatially divided observation network (N°1). Among these, there are several examples which are also influenced by the "ante-flysch" lower layer. Twenty springs are included in the time-space network (N°2) and six outlets were equipped and monitored for two years (time-based network N°3). To this network one can add the Lioson LLI spring which forms a link with the hydro-axis of AQUITYP project. Each sample underwent in-situ physical-chemical measurements and chemical analyses in the laboratory. Generally speaking the ICP-MS (Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry) technique provided the best results in the detection of cations, trace elements and micro-trace elements down to the threshold of 0.1 µg/l. However, some elements (Fe, B, Br, I et Sc) were more difficult to detect due to spectral interference and their detection threshold was about a factor of ten greater. The choice and validity of the elements were completed by a study of anthropological influences on some of the springs (salting roads, catchment pipes, and fertilizers), as well as the influence brought about by the soil. The most common atmospheric pollution forms based on Pb and Al were also detected by way of melt water analyses. Hydrogeological characteristics of aquifers Geomorphologically speaking, the Niesen nappe may be divided into three large compartments which can be distinguished by their catchment basins. The influence of flyschs on the NE sector, which has some mountain sited and some ridge born catchment areas, is well defined. The central sector, which is scored topographically (Simme, Louibach, Sarine), is fed by transversal flows influenced by extra-flysch ground, similar to the lower parts of the nappe. The continuity of the NE sector is regained in the SW sector (between the Sarine and the Grande Eau), but with larger basins towards the north. A more complex tectonic structure in this sector produces overlapping flysch units. Underground water flows correspond to an aquifer environment with discontinuity porosity (including micro-karst) in the Niesen flysch. Alternating mudstones and fines turbites, as well as the folded tectonic structure, provoke aquicludes, which limit regional flows. Flow rates of the order of 1000-1500 l/mn at low water were observed in the most aquiferous sectors. Time flow variations are on the order of a factor of 3 for the Neissen groundwater, and 2.5 for the Gurnigel groundwater, which differentiates them from typical karstic flows. Geological and chemical characterisarion of subterranean waters The Niesen flysch water is cold (average = 6°C). It has a total hardness of 350 mg/l. The waters of the Gurnigel flysch are slightly warmer and harder. The temperature is dependent on altitude as geothermal effects are negligible. The statistical study and the regional distribution of the parameters produced the range of variation in concentration for the waters of the Niesen flysch as well as their differences in comparison with water which had extra-flysch influences on its make-up (c.f. Table 6.1). The studies of time dependant changes indicate a general stability of the majority of components. The flow rates of the most productive outlets can fluctuate between 50 and 500 l/m. The subterranean waters of the Niesen nappe belong to six principal hydtochemical facies (JÄCKLI'S type): 1) Ca-HCO3, 2) Ca-(Mg)-HCO3, 3) Ca-Mg-(Na)-HCO3, 4) Ca-HCO3-(SO4), 5) Ca-(Mg)-HCO3-(SO4 ) and 6) Na-HCO3-(SO4). Within these facies, the Mg and SO4 content can be superior, thus defining the sub-facies. A study of the reservoirs geologically characterises each outlet. Hence, facies 1 and 2 correspond, above all, to the Niesen (Frutigen, Niesenkulm and Seron) and Gurnigel flyschs, of which the outlets are situated at the surface. Deeper and slower flows in the flyschs are characterised by sub-facies 2B (with Mg between 20 and 50 %), facies 3 and a generally higher content of all the other components (including the trace elements). Facies 4 and 5 correspond to outlets of varying nature from extra-flysch ground (intra-nappe) or from Triassic evaporites (periphery). Facies 6 correspond to a source situated in the extreme NE; it defines another type of extra-flysch influence with very great anomalies in Fe, B. Li and I (from 277 to 950 µg/l). Incidentally, the most abundant trace components of flysch waters are Ba, Fe and B with averages between 13 and 35 µg/l. Li, Br and Zn are present in quantities ranging from 2 to 7 µg/l. Micro-trace components (Rb, Al, Ni, I, Mn, Cu, U, Cr, V, Co, and La) were also detected with mean concentrations ≤ 1.5 µg/l. A multi-variable analysis of the principal components (factors) was carried out with the space-time network parameters. The principal hydrochemical facies remain staggered despite the time variations. Lixiviation tests of different flysch rocks and their analyses allowed comparison of the hydrochemical components of the soluble portion of the rocks with those of subterranean waters. In fact the lixiviats contain virtually all of the components found in the waters in generally superior concentrations, which confirms the geological origin of these components in subterranean waters. The base axis of the project AQUITYP includes five groups of aquifer types. The flysch waters are included in group 2 : aquifers of sedimentary rocks with fissures and interstices. Amongst the outlets, the Cornalle and Alliaz springs present anomalies in Cl, Na Ba, B, Li, Br, I and Cr in comparison with the other outlets in this group, including those of the flyschs. Their chemical composition resembles that of the outlets with extra-flysch (evaporitic) influences. In comparison to the rest of the aquifers of the AQUITYP network, the chemical composition of flysch outlets corresponds quite well with that of carbonated karstic rocks (group 3). It is also similar to that of loose quaternary soils (group 1) but with concentrations which are inferior in certain minerals, particularly in HCO3, NO3, Cl, Br and I. However, flysch waters are distinguishable from those of karstic evaporitic aquifers (group 4) which have higher concentrations in SO4, Ca, Mg, Sr, Si, Fe, Li, I and Cu. They also differ from crystalline aquifer waters (group 5) whose mineral concentrations are generally lower, with the exception of the As, Mo, W and U which are characteristic of this water. This work has allowed us to describe the hydrochemical and hydrogeological characteristics unique to the aquifers of the Niesen and Gurnigel which distinguishes them from the extra-flysch ground of the same region (mainly evaporites). A distinction has also been obtained when deeper and slower flows in the flyschs have been considered. As far as AQUITYP is concerned, the flysch aquifers have been found to form a distinct type at the heart of this project and can be said to have been found to be clearly distinguishable from other alpine aquifer types.
    Résumé
    La typologie des eaux souterraines des flyschs des nappes tectoniques du Niesen et du Gurnigel s'inscrit dans le cadre du projet AQUITYP mené depuis 1981 par le Laboratoire de géologie de l'Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne. Son but est la caractérisation hydrogéologique et géochimique de plusieurs types d'aquifères d'origine alpine. Parmi les flyschs alpins, celui du Niesen (composé surtout des trois unités : Frutigen, Niesenkulm et Seron d'âge Maastrichtien) avec ses importants faciès conglomératiques et calcaires, ainsi que le flysch du Gurnigel (Maastrichtien-Eocène) avec ses faciès gréso-calcaires, sont favorables à la circulation des eaux souterraines. La nappe du Niesen comprend aussi, en discordance (limite intranappe), un soubassement "anté-flysch" formé de terrains disparates et discontinus allant du Trias au Crétacé. Elle est limitée tectoniquement par les unités de l'Ultrahelvétique au SE (périphérie) et de la Zone submédiane au NW. 76 exutoires d'eaux souterraines des flyschs ont été traités. Ils forment le réseau d'observation à répartition spatiale (N°1). Certains d'entre eux sont influencés aussi par le soubassement anté-flysch. 20 sources font partie du réseau spatio-temporel (N°2) et 6 exutoires ont été équipés et suivis systématiquement pendant deux années (réseau temporel N°3). A ce dernier réseau s'ajoute la source de Lioson du projet AQUITYP qui sert de lien avec l'hydrotraverse régionale de ce projet. Chaque échantillon a fait l'objet de mesures physico-chimiques in situ et d'analyses chimiques en laboratoire. La technique de l'ICP-MS (Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry) a fourni en général les meilleurs résultats dans la détection des cations, et des éléments en trace et en micro-trace, jusqu'à un seuil de détection de 0.1 µg/l. Cependant, quelques Cléments (Fe, B, Br, I et Sc) ont posé des problèmes de détection à cause des interférences spectrales, leur seuil de détection s'est trouvé élevé d'un facteur 10 environ. Le choix et la représentativité des éléments ont été complétés par une étude des influences anthropogènes sur certaines sources (salage des routes, tuyauterie de captage, engrais), ainsi que l'influence de la couverture pédologique. Les principales pollutions atmosphériques (Pb et Al) ont aussi été décelées grâce aux analyses des eaux de neige. Caractéristiques hydrogéologiques des aquifères Géomorphologiquement, la nappe du Niesen peut être divisée en trois grands compartiments qui se distinguent aussi quant à leur bassin d'alimentation. Le secteur NE ayant des bassins versants de montagne, de part et d'autre des crêtes, subit une influence bien définie des flyschs. Le secteur central, caractérisé par des entailles topographiques (Simme, Louibach, Sarine) est alimenté par des écoulements transversaux à influence des terrains extra-flysch, similaire à celle des parties basses de la nappe. Le secteur SW (entre la Sarine et la Grande Eau) retrouve la continuité du secteur NE, mais avec des bassins plus vastes du côté nord, une structure tectonique plus complexe dans ce secteur produit l'imbrication des unités de flyschs. Les écoulements souterrains existent surtout dans les discontinuités, et les conduits micro-karstiques interconnectés du flysch du Niesen. Les pélites et turbidites fines, ainsi que la structure tectonique plissée provoquent des aquicludes, limitant les écoulements régionaux. Les secteurs les plus aquifères fournissent des débits de 1000-1500 l/mn à l'étiage. Les variations temporelles de débit sont de l'ordre d'un facteur 3 pour les eaux souterraines du Niesen et de 2.5 pour celles du Gurnigel, ce qui les différencient des écoulements typiquement karstiques. Caractérisation chimique et géologique des eaux souterraines Les eaux du flysch du Niesen sont froides (moy. 6°C), avec une minéralisation totale moyenne de 350 mg/l. Les eaux du flysch du Gurnigel sont légèrement plus chaudes et plus minéralisées. La température est dépendante de l'altitude, l'effet géothermique n'est pas notable. L'étude statistique et la répartition régionale des paramètres ont déterminé le domaine de variation des concentrations pour les eaux du flysch du Niesen, ainsi que leur distinction d'avec les eaux à influence extra-flysch (cf. tabl. 6.1). L'étude des variations temporelles indique une stabilité générale de la plupart des composés. Les débits des exutoires les plus productifs peuvent fluctuer entre 500 et 5000 l/mn. Les eaux souterraines de la nappe du Niesen appartiennent à six faciès hydrochimiques principaux (type JÄCKLI) : 1) Ca-HCO3, 2) Ca-(Mg)-HCO3, 3) Ca-Mg-(Na)-HCO3, 4) Ca-HCO3-(SO4), 5) Ca-(Mg)-HCO3-(SO4 ) et 6) Na-HCO3-(SO4). A l'intérieur de ces facies, le contenu en Mg et SO4 peut être supérieur, définissant donc des sous-faciès. Une étude des bassins caractérise géologiquement chaque exutoire. Ainsi, les faciès 1 et 2 correspondent surtout aux sources des flyschs du Niesen (Frutigen, Niesenkulm et Seron) et du Gurnigel, dont les exutoires sont situés en surface. Des écoulements plus profonds et lents dans les flyschs sont caractérisés par le sous-faciès 2B (Mg entre 20 et 50 %), le faciès 3, et un contenu généralement plus élevé du reste des composés (y c. les traces). Les faciès 4 et 5 correspondent aux exutoires à incidences diverses des terrains extra-flysch (intranappe) ou de type évaporitique du Trias (périphérie). Le faciès 6 correspond à une source située à l'extrême NE; il définit un autre type d'influence extra-flysch avec aussi des très fortes anomalies en Fe, B, Li et I (de 277 à 950 µg/l). Par ailleurs, les composés en trace les plus abondants des eaux des flyschs sont le Ba, le Fe et le B avec des moyennes entre 13 et 35 µg/l. Le Li, Br et Zn sont présents entre 2 et 7 µg/l. Des micro-traces (Rb, Al, Ni, I, Mn, Cu, U, Cr, V, Co et La) ont aussi été décelées avec des concentrations moyennes ≤ 1.5 µg/l. Une analyse multivariée en composantes principales (facteurs) a été effectuée sur les paramètres du réseau spatio-temporel. Les principaux faciès hydrochimiques restent différenciés malgré les variations temporelles. Des tests de lixiviation des différentes roches des flyschs et leurs analyses ont permis de comparer les composés hydrochimiques de la partie soluble des roches avec ceux des eaux souterraines. En effet les lixiviats sont chargés de presque tous les composés qui se trouvent dans les eaux à des concentrations généralement supérieures, ce qui confirme l'origine géologique de ces composés dans les eaux souterraines. La traverse de base du projet AQUITYP comporte cinq groupes d'aquifères-types. Les eaux des flyschs font partie du groupe 2 : aquifères des roches sédimentaires avec porosité de fissures et d'interstices. Parmi ces exutoires, les sources de la Cornalle et d'Alliaz présentent des anomalies en Cl, Na, Ba, B, Li, Br, I et Cr par rapport au reste des exutoires de ce groupe, y compris ceux des flyschs. Leur composition chimique se rapproche plutôt de celle des exutoires à influence extra-flysch (évaporitique). Par rapport au reste d'aquifères-types du réseau AQUITYP, la composition chimique des exutoires des flyschs correspond assez bien avec celle des exutoires des roches karstiques carbonatées (groupe N°3). Elle est aussi similaire à celle des aquifères en terrains meubles du quaternaire (N°1) mais avec des concentrations inférieures notamment en HCO3, NO3, Cl, Br et I. Par contre, les eaux des flyschs se différencient évidemment de celles des aquifères karstiques évaporitiques (groupe 4) qui ont des concentrations plus élevées notamment en SO4, Ca, Mg, Sr, Si, Fe, Li, I et Cu. Elles se différencient aussi des eaux des aquifères du cristallin (groupe 5) qui ont des concentrations en général plus faibles, à l'exception de l'As, le Mo, le W et l'U caractéristiques de ces eaux. Ce travail nous a permis de mettre en évidence les caractéristiques hydrochimiques et hydrogéologiques propres des aquifères des flyschs du Niesen et du Gurnigel qui les différencient des terrains extra-flysch environnants (surtout évaporitiques). Une différenciation a aussi été obtenue lorsque les écoulements sont profonds et lents dans les flyschs. Par rapport au projet AQUITYP, les aquifères des flyschs constituent bien un type au sein de ce projet, et se distinguent clairement des autres aquifères-types alpins.