29 notions-clefs : le cycle de l'eau

Les nappes phréatiques
Auteurs : Ghislain DE MARSILY(plus d'infos)
Résumé :
Document issu de l'ouvrage "29 notions clefs pour savourer et faire savourer la science - primaire et collège", paru aux éditions Le Pommier en août 2009.
Publication : 7 Mai 2014

Toute l’eau infiltrée dans le sol ne s’évapore pas, elle sert aussi à alimenter la « nappe »

Si la pluie survient en saison chaude, en pratique entre avril et septembre, toute l’eau tombée se stocke dans le sol superficiel et retourne vers l’atmosphère par évapotranspiration. En revanche, entre octobre et mars, la température de l’air est plus faible, l’air est plus humide, le soleil chauffe moins et la végétation se met en dormance : elle a moins besoin d’eau. Le sol se charge alors de plus en plus d’eau, au fur et à mesure qu’il pleut. Nous avons vu que le sol, quand il s’est mouillé suffisamment, laisse passer l’eau. De proche en proche, l’eau descend donc, et s’infiltre plus profondément. On considère que quand elle a atteint quelques mètres, elle est – en l’absence d’une végétation à racines très profondes – « protégée » de la reprise par l’évapotranspiration.

Comment comprendre ce qui arrive alors à l’eau en profondeur ? Pour le voir, prenons une bouteille d’eau minérale transparente, dont nous coupons le goulot pour obtenir un cylindre vertical. Perçons une série de trous pas trop gros (plus petits que le diamètre d’une cigarette), disposés verticalement tous les centimètres à partir de la base de la bouteille, sur le côté. Remplissons la bouteille avec des graviers et du sable : au fond, des graviers (d’un centimètre de diamètre environ, sur une hauteur de 12 cm), puis des graviers plus fins (d’un calibre de 5 mm, sur une hauteur de 5 cm), puis du sable fin (de 1 ou 2 mm de diamètre environ, jusqu’à 5 cm au-dessous du sommet de la bouteille). Versons lentement de l’eau sur le sable, de façon continue. Cette eau s’infiltre. Au bout d’un moment, nous voyons de l’eau dégouliner sur les graviers de la base de la bouteille, puis s’accumuler au fond. Le niveau d’eau monte lentement dans le gravier, puis il atteint le premier trou à 1 cm au-dessus du fond, et s’écoule latéralement. Plus le débit d’alimentation est fort, plus le niveau d’eau monte, et plus est grand le nombre de trous par lesquels l’eau s’écoule.

Nous venons de former une nappe phréatique. Le fond de la bouteille figure une couche dure, imperméable, faite de matériaux qui ne laissent pas passer l’eau, située en profondeur sous des matériaux perméables. Une telle couche peut se trouver à 10, 100 m ou parfois davantage sous la surface du sol. Le gravier grossier dans lequel on voit s’accumuler l’eau, c’est la nappe, encore appelée aquifère. La surface de l’eau dans le gravier, à quelques centimètres au-dessus du fond, et en dessous de laquelle l’eau s’écoule à travers les trous, c’est la surface libre de la nappe. C’est à cette profondeur, si on faisait un puits ou un forage, que l’on rencontrerait l’eau dans la nappe. Le plus souvent, en climat tempéré, cette surface libre est située entre 1 et 10 m sous la surface du sol, parfois (sous les plateaux) jusqu’à 50 m. Nous avons disposé du gravier grossier dans la bouteille, à cette profondeur, uniquement dans le but de « voir » cette surface de l’eau. Dans la nature, les roches en profondeur ne sont pas nécessairement constituées de graviers grossiers, mais cela ne change rien : l’eau s’accumule toujours à la base, sur une certaine épaisseur, dans la porosité de la roche, c’est-à-dire dans les trous entre les grains, ou dans les fissures. Le terme de nappe phréatique vient du grec phreatos, qui veut dire puits, et signifie simplement que cette nappe est la première que l’on rencontre sous la surface du sol. Nous verrons plus loin qu’il peut exister d’autres nappes, en profondeur, que nous appellerons nappes captives ou parfois nappes artésiennes. La nappe phréatique est aussi appelée nappe libre. Dans la partie du sable ou du gravier qui surmonte la surface libre (c’est-à-dire la surface de l’eau dans la bouteille), l’eau circule verticalement. La meilleure preuve en est que tous les trous que nous avons faits dans la bouteille, au-dessus de la surface libre, ne coulent pas : seuls les premiers trous, en dessous de la surface libre, laissent s’écouler l’eau horizontalement.
On appelle milieu non saturé la portion du terrain entre la surface du sol et la surface libre, où l’eau circule essentiellement verticalement, et milieu saturé la portion sous la surface libre, où l’eau s’écoule surtout horizontalement. Dans le milieu non saturé coexistent de l’eau et de l’air, que l’on peut voir à travers la paroi de la bouteille. Dans le milieu saturé, il n’y a que de l’eau, c’est d’ailleurs pourquoi on l’appelle ainsi : il est saturé en eau car celle-ci remplit tous les pores.
Le niveau de la surface libre d’une nappe varie au cours de l’année. Il monte en période d’infiltration : l’écoulement horizontal est alors plus important ; il diminue en été : l’écoulement horizontal se tarit alors lentement.

Où va l’eau de la nappe ?

L’eau de la nappe se dirige vers les points bas de la topographie, c’est-à-dire les rivières. Elle « sourd » parfois en des points précis, faisant naître alors des sources ; ailleurs, elle suinte simplement le long des berges des ruisseaux et rivières, et remonte, de façon cachée, par leurs fonds. C’est cet apport constant d’eau par la nappe qui fait que le débit des ruisseaux augmente régulièrement de l’amont vers l’aval, et aussi que les rivières coulent quand il ne pleut pas. Dans les pays tempérés, l’altitude de la surface libre de la nappe est toujours plus élevée que celle de la cote de l’eau dans la rivière (il en va autrement dans les pays arides).
L’eau de la nappe phréatique s’écoule toujours dans le sens de la pente de sa surface libre, comme sur la figure ci-contre, de la même façon que l’eau d’une rivière s’écoule toujours dans le sens de la pente de sa surface, indépendamment de la morphologie de son fond. Sous le bassin versant d’une rivière, que nous avons délimité plus haut, il existe donc un second bassin versant, souterrain, constitué par la surface libre de la nappe, qui possède elle aussi une pente dirigée vers la rivière. En général, les deux bassins versants, superficiel et souterrain, sont à peu près superposés. Quand on arrive à la limite de bassin, les eaux souterraines, comme les eaux de surface, s’écoulent vers d’autres rivières ou exutoires.

Existe-t-il d’autres nappes ?

Oui, il existe d’autres types d’écoulements souterrains. Les plus familiers sont les écoulements « karstiques », que l’on rencontre dans les terrains calcaires. Le mot karst vient de Serbie, où ce genre d’écoulement pullule en raison de la présence d’une grande trousquantité de roches calcaires. La circulation karstique est plus compliquée que celle que l’on rencontre dans les terrains plus sableux ou gréseux. En effet, le calcaire a la propriété de se dissoudre lentement dans l’eau, qui s’est chargée en gaz carbonique (CO2) lors de son passage dans l’atmosphère, et plus encore lors de son passage dans la frange superficielle des sols, à l’endroit où se développent les racines (l’air y est riche en CO2 du fait de la dégradation microbienne de la matière organique naturelle des sols – les résidus de la végétation). Cette eau, rendue légèrement acide par la dissolution du CO2, s’écoule dans les roches calcaires présentes sous le sol ; ces roches, qui en général sont dures, sont fréquemment fissurées du fait des déformations tectoniques de l’écorce terrestre. L’eau circule de préférence dans ces fissures, et, par dissolution, les élargit. On aboutit, au terme de quelques milliers (ou millions) d’années, à la formation de vides très importants (mesurant parfois de un mètre à plusieurs dizaines de mètres) qui prennent la forme de conduits, créent des « rivières souterraines » ou des grottes immenses, hérissées de imperméablerivièresolstalactites et de stalagmites. Les spéléologues parviennent parfois à s’introduire dans ces conduits, dont certains débouchent en surface (gouffres, avens), ou y pénètrent en plongeant dans les sources. L’eau coule dans ces systèmes karstiques : d’abord verticalement, dans la partie non saturée, empruntant un réseau de fines fissures pas encore élargies, un peu comme dans les sables de la bouteille de notre expérience. Lorsqu’elle aboutit dans un conduit élargi, l’eau y circule comme dans une rivière (souterraine), empruntant parfois des siphons (ci-dessous). Il est très difficile de trouver de l’eau dans ces systèmes karstiques en faisant des forages, car si l’on implante un forage au hasard, il est fort probable que ce dernier ne rencontre aucun conduit dans lequel l’eau circule, et soit donc « sec ». Cette vision des écoulements souterrains sous forme de conduits karstiques est très répandue dans le public, mais ne correspond pas à la majorité des cas : le plus souvent, dans les pays non calcaires, on rencontre des nappes phréatiques continues, présentes partout sous le sol, dans les petits interstices entre les grains de sable ou dans des fissures fines, qui ne sont pas élargies par la dissolution, comme c’est le cas dans les pays granitiques. En France, les principaux karsts se trouvent dans les plateaux calcaires des Causses, du Jura, le long de la Côte d’Azur, dans le Nord, dans la région de Caen, dans les Pyrénées…

Nous allons fabriquer ensemble un petit système karstique. Nous prenons des glaçons en forme de cubes, que nous posons côte à côte, « à touche-touche », sur une plaque de bois plane et en pente, d’où l’eau peut s’écouler. Quelques clous empêchent les glaçons de glisser. Au bout d’un moment, les glaçons se collent plus ou moins les uns contre les autres, formant un « massif rocheux » rigide, mais il reste des « fissures » entre les glaçons, car ils n’adhèrent pas parfaitement les uns aux autres. Nous versons sur le « massif » de l’eau très chaude : elle s’infiltre dans les « fissures » et les élargit par fonte (fusion) de la glace. Plus la fonte est importante, plus l’eau chaude peut s’infiltrer dans la fissure, et plus la fonte s’accélère, formant des fissures très larges. Sous les glaçons, l’eau qui s’est infiltrée s’écoule sur la plaque en bois et crée des vides et conduits dans la glace au contact de la plaque, par lesquels l’eau s’écoule latéralement… C’est un petit karst !
Attention, la manipulation n’est pas très facile : l’eau ne doit pas s’accumuler sur la plaque, car la glace flotterait et fondrait de tous côtés ; il ne faut pas prendre une plaque en métal, qui s’échaufferait et ferait aussi fondre la glace sur toute sa base. Il faut enfin examiner le résultat très rapidement, avant que tout ne soit fondu !
On peut aussi vérifier que l’eau chargée en CO2 dissout le calcaire. On prend un petit morceau de calcaire, par exemple un coquillage si on n’a pas de calcaire sous la main (je pense à la Bretagne, dont les sols ne sont pas calcaires), que l’on met dans un verre d’eau Perrier (qui est très gazeuse, riche en CO2). Le calcaire est attaqué. Il ne se dissout pas instantanément, mais la surface du coquillage, si elle était brillante, devient mate.

Il existe aussi en profondeur d’autres nappes, dites captives. Nous allons en construire une ensemble.

Nous nous procurons un tube en plastique transparent et souple, de 1 m de long, de diamètre le plus gros possible, 5 cm seraient très bien, mais on trouve le plus couramment 1 ou 2 cm. Nous remplissons le tube de sable fin. Nous mettons du côté aval un bouchon fait de tissu, qui retient le sable mais laisse passer l’eau. Puis nous perçons trois petits trous verticaux alignés et espacés dans le tube et nous y enfonçons (ou collons) trois pailles verticales transparentes (figure ci-contre). Le gros tube est légèrement coudé pour prendre vaguement une forme de siphon. Nous versons de l’eau en continu avec un entonnoir par l’extrémité la plus haute du tube, ou avec un petit tuyau d’arrivée d’eau, et laissons cette eau traverser le tube puis ressortir à l’autre extrémité – celle qui porte le bouchon en tissu –, que nous maintenons un peu plus basse. Ce tube simule une couche de sable qui affleure à l’amont, s’enfonce au centre dans une forme synclinale, puis remonte vers l’aval. Aux affleurements amont, l’eau versée dans l’entonnoir représente l’infiltration de la pluie, comme dans une nappe phréatique ; mais celle-ci s’écoule dans ce cas vers la profondeur, à cause de la géométrie de la couche de sable, et non parallèlement à la surface. La couche de sable, en profondeur, doit être recouverte par une couche imperméable, une roche en général argileuse, qui forme un écran et empêche l’eau emprisonnée dans la nappe de remonter vers la surface. C’est la paroi supérieure du tuyau qui joue ici ce rôle. Si nous regardons maintenant le niveau de l’eau dans les trois pailles que nous avons collées sur le tube, et qui représentent des forages, nous remarquons que ce niveau est plus haut que la paroi du tube plein de sable : l’eau « remonte » dans les forages par un effet de siphon, à cause de la pression exercée dans le milieu par l’eau qui s’infiltre à l’amont. Le niveau n’est cependant pas le même dans les trois pailles, la paille la plus proche de l’amont ayant un niveau plus élevé que celle qui est proche de l’aval. Ceci s’explique simplement : les forces de frottement de l’eau contre les grains de sable « consomment » l’énergie de pesanteur apportée par l’altitude de la zone dans laquelle s’infiltre l’eau de pluie. Quand on arrive à l’exutoire (le bouchon de chiffon), toute cette énergie a été consommée, et le niveau de l’eau dans une paille y serait égal à la cote de l’exutoire. Si nous coupons l’une des pailles à mi-hauteur, par exemple, nous remarquons que l’eau coule par la paille et « jaillit ». Le forage représenté par cette paille est dit artésien ou jaillissant.
Sur le terrain, le sommet de la paille coupée représente la surface du terrain : ainsi, quand celle-ci est basse (dans une vallée, par exemple), les forages qui atteignent la couche de sable coulent d’eux-mêmes, sans qu’il soit nécessaire de pomper.

Il existe de nombreuses nappes captives en France, principalement dans les grands bassins sédimentaires (Bassin parisien, Bassin aquitain, bassin du Sud-Est, région Nord…). Certaines nappes sont superposées, et séparées par des couches imperméables, comme l’aquifère captif du Trias gréseux à la base du bassin de Paris, surmonté par les argiles du Lias, puis par l’aquifère captif calcaire du Dogger, etc., puis par les sables captifs de l’Albien, surmontés par les argiles du Gault, et enfin par la nappe de la Craie, nappe libre dont la base est constituée des mêmes argiles du Gault. La forme de ces nappes captives est souvent de type synclinal, mais pas toujours : il suffit que la couche s’enfonce en profondeur pour devenir captive aussitôt qu’une couche imperméable la surmonte. Si la couche captive ne remonte pas vers la surface, à l’inverse de ce qui est dessiné sur la figure de la page 148, l’eau qu’elle contient peut avoir beaucoup de mal à se frayer un chemin vers la surface, et être presque immobile en profondeur. Dans le Trias du bassin de Paris, par exemple, qui remonte mais n’affleure pas, on estime que les eaux ont un âge de plusieurs millions d’années… Si la couche remonte et affleure vers l’aval, comme sur la figure, l’eau s’écoulera vers les points les plus bas de ces affleurements.

La pollution des nappes

Nous reprenons notre bouteille pleine de graviers et de sable, munie de ses trous au-dessus du fond, par lesquels l’eau s’écoule. Nous la plaçons toute une nuit sous un robinet ouvert d’eau potable, pour bien la laver. Le matin, nous coupons l’eau et nous disposons une bonne couche de sel de cuisine sur le sable, qui représente le sol superficiel (assez pour qu’on ne voie plus le sable). Nous ouvrons l’eau à nouveau. Le sel se dissout et pénètre avec l’eau dans les profondeurs de la bouteille. Au bout d’un moment, nous constatons (en la goûtant) que l’eau qui sort de la bouteille est salée. Il faut toutefois veiller à ce que le sable et le gravier placés dans la bouteille soient propres, pour ne pas se rendre malade en goûtant l’eau. Dans le doute, on peut les stériliser en versant de l’eau de Javel dans la bouteille, puis en rinçant toute la nuit avec de l’eau potable du robinet, qui éliminera les traces de Javel.

Nous avons ainsi montré que tout produit répandu en surface du sol, comme les engrais, les pesticides utilisés en agriculture, ou les déchets jetés ici et là, est dissous par l’eau, transporté vers le bas, et se retrouve dans la nappe et dans l’eau des puits. Contrairement aux idées reçues, le sable ne « filtre » pas les polluants… En revanche, il peut filtrer les petites particules en suspension, certaines grosses bactéries, mais pas les virus.

On peut par exemple faire l’essai en versant dans la bouteille de l’eau « sale », dans laquelle nous aurons délayé de la terre pour qu’elle devienne boueuse, ou prélever directement de l’eau boueuse d’une rivière, s’il y en a une à proximité. On constate que l’eau infiltrée est trouble, mais que l’eau qui sort de la bouteille est, elle, claire. Le sable fin filtre bien les particules en suspension. Si l’expérience n’est pas concluante, c’est que le sable du sommet de la bouteille est trop grossier…

Le bilan hydrologique

Regroupons toutes nos expériences, et décrivons ainsi le cycle continental de l’eau. Nous allons indiquer pour cela des chiffres moyens, valables pour un climat tempéré, comme en France, et d’ailleurs valables aussi, à titre de moyenne, pour le monde entier.

Précipitations sur les continents (pluie ou neige) : 840 mm/an 100 %
L’unité que nous employons ici, le mm/an, correspond à la hauteur d’eau qui s’accumulerait dans un tube ou un bac, par exemple de 1 m de haut, qui recueillerait la pluie ou la neige, mais ne la laisserait pas s’évaporer. Le diamètre du tube ou du bac importe peu : il s’accumule partout la même hauteur. Si l’on veut convertir cette hauteur en volume d’eau, on multiplie par la surface du tube ou du bac. Si, par exemple, le bac fait 1 m2, le volume d’eau accumulé dans le bac serait de 1 × 0,84 = 0,840 m3, soit 840 l. Nous allons utiliser cette même unité pour tous les autres termes du bilan, tels l’évaporation, le ruissellement, l’infiltration, et donner aussi le pourcentage des précipitations.
 

Évapotranspiration : 540 mm/an 65 %
Ceci signifie que 65 % de l’eau de pluie s’est infiltrée dans le sol, y a été stockée, puis est repartie vers l’atmosphère par dessèchement du sol, des flaques d’eau et prélèvement par les racines et transpiration par la végétation.
 

Ruissellement : 190 mm/an 23 %
C’est la part de la pluie qui arrive directement dans la rivière quand il pleut, pendant les crues. Ce chiffre est très variable d’une région à l’autre, en fonction de la nature du sol. Si le sol est très perméable, le ruissellement peut être très faible, inférieur à 10 %. En revanche, si le sol est très argileux ou peu absorbant, le ruissellement peut atteindre 40 ou 50 %.
 

Infiltration dans les nappes et écoulement souterrain : 75 mm/an 9 %
Cette eau souterraine rejoint les rivières, ce qui fait que celles-ci coulent même quand il ne pleut pas ; elle peut aussi s’écouler directement en mer, pour les nappes situées près de la côte. Ce chiffre est aussi très variable en fonction de la nature du sol.
La différence entre l’entrée (la pluie, 100 %) et ces trois sorties (65 + 23 + 9 = 97 %) est de 3 %, soit 25 mm/an. Ceci représente, au niveau global, le flux d’eau sous forme de glace, des continents aux océans, par la dérive et la fonte des icebergs.

D’où vient toute cette eau ?

La pluie provient de la condensation de la vapeur d’eau atmosphérique. L’origine de la vapeur d’eau dans l’atmosphère est l’évaporation : celle qui se produit sur les continents, que nous avons chiffrée à 540 mm/an, mais aussi celle qui se produit sur les océans, évaluée à 1 250 mm/an. Mais la majeure partie de l’eau évaporée sur les océans retombe en pluie sur la mer : il pleut en moyenne 1 120 mm/an sur les océans. Si l’on fait le bilan, et compte tenu que la Terre est faite pour un tiers environ de continents et pour deux tiers d’océans, 65 % du volume de la pluie sur les continents a pour origine l’évaporation continentale, et seulement 35 % l’évaporation océanique. Il est donc faux de croire que la pluie provient uniquement de l’évaporation sur la mer… Ces chiffres ne sont cependant exacts qu’en bilan global. En effet, une partie de l’eau évaporée sur les continents retombe en pluie en mer (quand, par exemple, le vent balaye les nuages depuis les continents vers les océans). En revanche, quand le vent apporte les nuages des océans vers les continents, la pluie qui tombe sur le continent proche de la côte provient en fait de l’évaporation sur la mer. Mais le chiffrage exact en est difficile.
On peut ajouter que le temps de séjour moyen de la vapeur d’eau dans l’atmosphère n’est que de neuf jours et demi, il n’y a donc aucun « volant » d’eau stockée dans l’atmosphère, qui pourrait alimenter la pluie si l’évaporation venait à diminuer. Ce phénomène se produit par exemple lors des très grosses explosions volcaniques, qui projettent dans la haute atmosphère des quantités énormes de poussières, ce qui réduit la pénétration des rayons du soleil, et donc diminue l’évaporation. L’éruption du Tambora, en Indonésie, en 1815, aurait envoyé dans l’atmosphère 80 km3 de poussières, engendrant une « année sans été » et réduisant très fortement les précipitations.
Sur les pôles, les précipitations sont très faibles, mais la glace qui s’accumule finit par retourner à l’océan, en s’écoulant lentement et en fondant.
Le bilan est bouclé : toute l’eau qui ruisselle ou s’écoule dans les nappes sur les continents finit par retourner aux océans. C’est donc toujours la même eau qui circule. Ce n’est que lors des grandes glaciations, comme il y a 100 000 ans, que le bilan n’est pas bouclé : l’eau des précipitations s’accumule sous forme de glace sur les continents, et le niveau des mers descend (jusqu’à moins 120 m) lors de la dernière glaciation dont le maximum s’est produit il y a environ 20 000 ans. Inversement, dans la période chaude actuelle, par effet de serre, l’eau des glaciers polaires est en train de fondre, la mer se dilate et le niveau des mers remonte, il sera de un à deux mètres plus haut dans cent ans…
De façon globale, le temps de séjour de l’eau dans les différents compartiments du cycle est estimé de la façon suivante :

  •  océans : 3 000 ans,
  •  nuages dans l’atmosphère : 9,5 jours,
  •  glaciers : de 2 500 à 200 000 ans,
  •  eaux souterraines : 1 500 ans,
  •  humidité des sols : 1,8 ans,
  •  lacs d’eau douce : 30 ans,
  •  rivières : 17 jours,
  •  eau des cellules vivantes : quelques heures.

Addons