Devenir des eaux de pluie : géochimie des chlorures dans les eaux souterraines en milieu cristallin (Massif central, France)

Fate of rainwater: chloride geochemistry in groundwater in a crystalline formation (Massif Central, France)

12, rue Guy de Maupassant 45100 ORLEANS

Résumé

Les eaux souterraines dérivent des eaux de pluies, et peuvent donc en retour donner des indications sur la géochimie de ces pluies. Cette dernière présente une grande variabilité à l'échelle de quelques jours ou de quelques mois, et n'est donc pas facile à déterminer. Elle peut être évaluée par des analyses faites sur un dispositif de stockage approprié, collectant les eaux sur une longue période : les eaux souterraines sont à cet égard intéressantes.

Elles font en effet l'objet d'analyses par dizaines de milliers de mesures chaque année, dans le cadre du contrôle réglementaire effectué sur la qualité des eaux distribuées. Les mesures correspondantes sont enregistrées dans les bases de données en ligne, et donc facilement accessibles. De façon à ne prendre en compte que les eaux peu affectées par le contact avec des roche solubles (calcaires), l'étude a été orientée vers les eaux souterraines des terrains cristallins, en l'occurrence celles du Massif central français. Seules, les eaux non polluées, ont été prises en compte ; les critères permettant de les identifier sont discutés, de même que l'influence de l'évapotranspiration sur la géochimie des pluies.

Dans les eaux souterraines de terrains cristallins, la géochimie des éléments majeurs est simple : les cations sont tous d'origine géologique (s. l., en incluant les sols) et les anions, d'origine atmosphérique. Le motif réside dans un double phénomène : pour les cations, les échanges d'ions, et pour les anions, la quasi-absence de carbone, azote, soufre, chlore, dans les roches affectées par les circulations aquifères.

La géochimie des chlorures en particulier, ressemble à celle des ratios isotopiques de la molécule d'eau. C'est une conséquence de la formation des gouttes de pluie, qui peu à peu éliminent de l'atmosphère les isotopes lourds (concentrés dans la phase liquide) et les particules de chlorure de sodium, en tant que noyaux de condensation.

Les conséquences en sont prévisibles dans plusieurs domaines : celui de la santé, avec les carences en iode (autre halogène) constatées en altitude au-delà de 800 m ; et celui de l'environnement, avec d'une part la possibilité d'améliorer la méthode des bilans sur chlorures (CMB) pour la gestion quantitative des nappes, et d'autre part un calcul approché facile, du fond chimique naturel des eaux souterraines.

Abstract

Groundwater geochemistry is derived partly from rainwater and can therefore provide information concerning precipitation and rainwater chemistry. This chemistry is highly variable on a monthly or even daily scale and is therefore difficult to determine. The average chemical composition can be estimated over a long period by analysing an appropriate storage unit such as a groundwater reservoir.

Indeed, groundwater in France is analysed tens of thousands of times each year within the framework of regulatory monitoring of the quality of drinking water supplies. These data are recorded in databases that are easily available online. The study focuses on unpolluted groundwater in crystalline formations in the French Massif Central, little affected by contact with soluble rock (limestone). Criteria enabling the identification of unpolluted groundwater and the influence of evapotranspiration are discussed.

The geochemistry of major elements in groundwater in crystalline formations is simple: cations come from weathering of geological structures (including soils), but anions come from the atmosphere. Two phenomena are responsible for that apparent disruption of the electrical balance: for cations issued from silicate hydrolysis - ion exchange, and for anions - the almost total absence of carbon, nitrogen, sulphur and chlorine in the rocks in which the groundwater circulates.

The geochemistry of chloride resembles that of the isotopic ratios of the water molecule. When rain drops form, they are enriched in heavy isotopes of H and O, and sodium chloride particles as nucleation nuclei, gradually eliminating them from the atmosphere.

This could have repercussions in several fields such as public health, as concerns iodine deficiency (another halogen) observed at elevations above 800 m, and the environment, where it might be used to improve the chloride mass balance (CMB) method for quantitative groundwater management, and easily approximate chemical background values in groundwater.