Les eaux profondes du Massif Armoricain gardent la mémoire de l’histoire climatique de la Terre

Mardi, 22 septembre 2015

Une équipe du laboratoire Géosciences Rennes de l’Observatoire des sciences de l’Univers de Rennes (OSUR, CNRS/Université de Rennes 1 associé au BRGM) a mené des travaux sur les eaux souterraines à l’échelle du massif armoricain. Ces travaux ont permis de retrouver les étapes des grandes variations du climat passé depuis 5 millions d’années. Ces travaux sont publiés la revue Scientific reports de Nature du 22 septembre 2015.

Les chercheurs ont tout d’abord analysé le taux de salinité des eaux souterraines à l’échelle du massif. Ils ont pu montrer que la salinité observée au-delà d’une profondeur de 100m est la « signature », c’est-à-dire la trace laissée par les inondations marines qui ont partiellement recouvert le massif il y a 2 à 5 millions d’années. Une analyse détaillée montre également la présence d’eaux glaciaires qui se sont infiltrées beaucoup plus récemment il y a environ 17 000 ans à la fin de la dernière période glaciaire. Aujourd’hui, le parcours des eaux souterraines est beaucoup moins profond, ce qui a permis la préservation de ces signatures anciennes. La faible profondeur des eaux souterraines actuelles et l’impact des climats passés montre aussi la fragilité de cette ressource vis-à-vis des changements climatiques.

En effet, les changements climatiques vont avoir des conséquences drastiques sur les ressources en eau qui peuvent être durablement influencées par les différents aspects de ces changements : variation du volume mais également de la répartition temporelle des précipitations, températures, qualité de l’eau etc. La ressource en eau souterraine est sensible à ces modifications et il en a été de même par le passé. Depuis une trentaine d’années, on a mené des explorations de la croûte continentale pour le stockage à longs termes des déchets radioactifs ou dans le cadre de programmes d’exploration scientifique. A grande profondeur, au sein des grandes zones de socle de par le monde, on a systématiquement trouvé des eaux extrêmement anciennes et fortement salées. Malgré des travaux poussés, le faible nombre de sites rend l’origine de ces eaux énigmatique. On suppose néanmoins qu’elles pourraient être les témoins de grandes variations climatiques passées ce que confirme l’étude du massif armoricain.

Au sein du massif armoricain, trois étapes ont pu être distinguées. 1) introduction de l'eau de mer dans les infractuosités ; 2) diffusion du sel en profondeur ; 3) Circulation d'eau liées à la déglaciation ; 4) dilution locale de la signature marine. A l'époque moderne la circulation des eaux de pluie ne dépasse pas globalement quelques centaines de mètre sous la surface du Massif Armocain. Comment l’eau nous renseigne-t-elle sur l’histoire des climats de la Terre ?

L’eau de pluie s’infiltre à la surface des sols durant les périodes pluvieuses de l’hiver pour former les nappes d’eau souterraine. L’eau souterraine, poussée depuis les zones hautes, se propage ensuite dans les formations géologiques jusqu’à alimenter le réseau des rivières situées dans les niveaux topographiques bas. La partie la plus connue de ces systèmes de circulation, que l’on appelle « boucles de circulation », est souvent limitée à quelques dizaines de mètres de profondeur que l’eau met quelques dizaines d’années à parcourir. Mais, dans certains cas, l’eau peut parcourir des distances plus longues et rester relativement préservée au sein des roches profondes où le renouvellement est très faible. Durant tout son parcours, l’eau peut conserver la « mémoire » des conditions qui régnaient lors de son infiltration. Quelle mémoire ? Lorsqu’on la prélève aujourd’hui en profondeur, on peut à partir des outils d’analyse géochimiques reconstituer l’origine de l’eau (eau de mer ou eau continentale). A partir de l’analyse des gaz dissous dans l’eau dont la concentration dépend directement de la température, on peut également reconstituer les conditions climatiques, notamment la température moyenne des sols au moment de leur infiltration.

 

Les étapes des grandes variations du climat passé reconstituées

Distribution des paléocôtes correspondant aux trois transgressions. Les  transgressions Mio-Piocènes

Le massif armoricain a été inondé à trois reprises durant les 5 derniers millions d’années sur une grande partie de son territoire. Une analyse statistique des données de salinité des puits disponibles sur le massif (données de la banque nationale d’Accès aux Données sur les Eaux Souterraines) montre que, dans les zones de transgression (c’est-à-dire d'envahissement durable de zones littorales par la mer, du fait d’un affaissement des terres émergées ou une élévation générale du niveau des mers), les concentrations en chlorure augmentent au-delà d’une profondeur de 100m au-dessus du niveau de la mer. Cette profondeur de 100m correspond au niveau atteint par la transgression âgée d’environ 5 millions d’années. L’analyse géochimique détaillée des 12 sites présentant des salinités particulièrement importantes, a permis de confirmer l’origine marine des éléments contenus dans les eaux (Cl, Br, δ34S, δ11B). Les eaux souterraines du massif armoricain conservent donc encore la signature, très diluée, des eaux de mer qui se sont infiltrées dans le massif il y a 2 à 5 millions d’années.

Fin de la dernière glaciation

Sur les 12 sites, les analyses des gaz dissous dans les eaux, ont permis de recalculer la température moyenne des sols lors de l’infiltration de l’eau. Cette température est nettement inférieure à la température actuelle et atteint quasiment zéro degrés pour le forage le plus salé. Ces températures témoignent d’infiltration sous des conditions glaciaires, typiques du grand nord Canadien ou de la Sibérie actuelle par exemple.

La dernière période glaciaire a duré de 110 000 à 10 000 ans avec un  maximum glaciaire a atteint il y a environ 22 000 ans. Or la datation au carbone-14 de ces eaux pour deux échantillons, indique un âge d’environ 17000 ans. Cette date correspond donc aux premiers signes de la fin du dernier maximum glaciaire. Cette période est caractérisée à la fois par les premières ruptures des glaciers et la reprise du fonctionnement d’un grand fleuve au sein de la Manche actuelle. C’est probablement la rupture du permafrost sur le massif armoricain qui a généré l’infiltration assez brutale et rapide de ces eaux glaciaires dans les formations géologiques. En effet, le permafrost, ou pergélisol, est la partie d'un sol gelé en permanence, ce qui le rend de fait imperméable. Si le permafrost disparaît, le sol devient perméable et permet donc l’infiltration. En profondeur, cette infiltration se produit le long des zones de faille majeures dont l’importance pour la ressource en eau est primordiale.

La période actuelle

Modèle de circulation des eaux de la période actuelle. Le fonctionnement hydrogéologique actuel est marqué par la profondeur limitée à laquelle les boucles hydrogéologiques parviennent. Ce fonctionnement est représenté par de petits systèmes et une relative absence de boucles régionales à plus grande profondeur. C’est par conséquent cette profondeur assez faible qui a permis de préserver les signatures plus anciennes situées à plus grande profondeur.

Des travaux et des résultats originaux

Cette étude a montré que l’introduction d’eau de mer dans les socles anciens peut se produire aisément et pénétrer en quelques millions d’années l’ensemble de la matrice de la roche, par diffusion. Les circulations plus récentes liées à la rupture du permafrost, sont quant à elles plus rapides et brutales, et limitées aux grandes zones de faille. Le faible temps écoulé depuis la fin de la glaciation n’a pas permis les lents processus de diffusion observés pour l’eau de mer. Ces deux mécanismes - l’introduction d’eau de mer dans les socles anciens et les circulations plus récentes liées à la rupture du permafrost - permettent d’expliquer qu’on trouve au sein du même échantillon la signature de deux processus différents et très éloignés dans le temps.

De manière générale, ces résultats confortent l’interprétation marine des fluides salés rencontrés ailleurs dans les socles. Ils permettent également de montrer dans quelle mesure et à quelle vitesse, le fonctionnement hydrogéologique peut être perturbé par les variations climatiques. En outre, la faible épaisseur des écoulements actuels montre la vulnérabilité de la ressource en eau face au changement climatique en cours.




Contact

Luc Aquilina Géosciences Rennes/OSUR (CNRS, Univ Rennes1)

Tél : 02 23 23 67 79 / luc [dot] aquilina [at] univ-rennes1 [dot] fr

Source(s): 

1) Impact of climate changes during the last 5 million years on groundwater in basement aquifers
Luc Aquilina, Virginie Vergnaud, Antoine Armandine Les Landes, Hélène Pauwels, Philippe Davy, Emmanuelle Pételet-Giraud, Thierry Labasque, Clément Roques, Eliot Chatton, Olivier Bour, Sarah Ben Maamar, Alexis Dufresne, Mahmoud Khaska, Corinne Le Gal La Salle & Florent Barbecot
Scientific Reports | 5:14132 | DOI: 10.1038/srep14132
(2) Timescales of regional circulation of saline fluids in continental crystalline rock aquifers (Armorican Massif, western France)
A. Armandine Les Landes, L. Aquilina, P. Davy, V. Vergnaud-Ayraud, and C. Le Carlier
Hydrol. Earth Syst. Sci., 19, 1413-1426, 2015
www.hydrol-earth-syst-sci.net/19/1413/2015/
doi:10.5194/hess-19-1413-2015

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