Hydrochimie des ions majeurs
L’ion chlorure
Parmi les ions majeurs, l’ion chlorure (Cl) est considéré comme l’un des marqueurs les plus conservatifs dans les environnements aqueux naturels ; il ne participe pas aux réactions d’oxydo-réduction, ni ne forme de précipités insolubles (Fetter, 1993). Sa concentration dans les eaux naturelles non contaminées est généralement très faible (<10 mg/L) tandis que les eaux océaniques présentent des teneurs très élevées de l’ordre de 19.000 mg/L. Les sources de Cl tels que les engrais, pesticides, effluents, fosses sceptiques, aérosols peuvent contribuer à élever sa concentration dans les nappes – mais ces signaux sont le plus souvent identifiables. C’est pourquoi l’ion chlorure est considéré comme référence à partir duquel tous les autres ions sont exprimés sous forme de rapport ionique pour identifier les divers processus d’acquisition des ions.
Les ions majeurs : Sodium (Na), Potassium (K), Calcium (Ca), Magnésium (Mg)
Ces éléments sont regroupés ici puisque jouant un rôle complémentaire dans les divers processus géochimiques qui se déroulent lors ou après l’intrusion saline. Les réactions d’échanges ioniques sont souvent décrites comme processus dominant dans les nappes lors de l’intrusion saline (Appelo et Postma, 1993), mais également lors de l’écoulement naturel des nappes à eau douce. Les réactions d’échange de bases ci-dessous décrites se déroulent au niveau des charges négatives des minéraux argileux:
2Na+ (K) + Ca-X2 = 2Na(K+)-X + Ca2+
2Na+(K) + Mg-X2 = 2Na(K+)-X + Mg2+
avec X : sites négatifs à la surface des minéraux argileux
Lorsque l’eau de la nappe repousse la frange salée vers l’océan, les réactions inverses se produisent. Ces processus sont très bien représentés dans les diagrammes binaires Na vs. Cl, K vs. Cl, Ca vs. Cl et Mg vs. Cl où les eaux résultant du mélange sont le plus souvent déviées de la droite de mélange idéal ou de mélange conservatif. D’autres réactions peuvent également se produire lors de la phase d’intrusion : il s’agit des réactions de dissolution/recristallisation de calcite, de gypse, de dissolution de minéraux silicatée, des réactions d’oxydo-réduction ou de réduction des sulfates (SO4).
Hydrochimie des ions mineurs
L’ion Bromure
L’utilisation des teneurs en anion Bromure (Br) est un complément indispensable des mesures de concentrations en Cl pour expliquer l’origine des anomalies de salinité dans une nappe (Hsissou et al., 1999). Son intérêt hydrogéochimique a été largement débattu dans les études des eaux salées et saumures, du fait que sa concentration permet de calculer le degré d’évaporation de l’eau de mer du fait que l’ion bromure s’accumule dans les eaux résiduelles (Sanders, 1991 ; Richter et Kreitler, 1993). L’ion bromure permet, grâce à la relation Br=f(Cl) sous forme de rapport molaire Br/Cl ou Cl/Br, d’identifier les processus de salinisation et la contribution relative des sources salées (Dror et al., 1999), de distinguer les zones à influence marine (océan, précipitation, aérosols, paléo salinité sédimentaire) (Arad et al., 1986 ; Gerritse et George, 1988 ; Richter et Kreitler, 1993 ; Tijani et al., 1996 ; Cruz et Silva, 2000 ; Fakir et al., 2002), des zones à influence évaporitique ou anthropique, appauvries par rapport au domaine océanique (Andreasen et Fleck, 1987 ; Vengosh et Pankratov, 1998). Cependant le Br peut être assimilé par les organismes marins, qui après processus diagénétiques peut être libéré et par conséquent augmenté sa concentration dans le système aqueux (Fabrika Martin et al., 1991). De plus, Fontes et Matray (1993) ont décrit que le rapport Cl/Br varie dans le cas de précipitation/dissolution de minéraux chlorurés et durant un mélange convectif ou diffusif de solutions salines. Les premiers cristaux de halite qui précipitent durant l’évaporation peuvent avoir un rapport Cl/Br jusqu’à 9000 (Fontes et Matray, 1993 ; Davis et al., 1998), et l’eau résiduelle serait par conséquent enrichie en Br au dépend de Cl. Le Br peut également se concentrer par effet de membrane au niveau des argiles du fait que l’ion Br est de taille plus importante que l’ion chlorure (Hem, 1985). Des sources additionnelles incluent le Br dérivé à partir des bromures de méthyle et d’autres composés bromés organiques utilisés en agriculture (Vengosh et Pankratov, 1998), de la décomposition de la matière organique des sols (Gerritse et George, 1998).
En l’absence de sources induites de Br autres que les processus naturels, cet élément comme le Cl représente un bon marqueur d’intrusion saline du fait de son comportement conservatif dans les systèmes aqueux. Il ne participe pas aux réactions d’oxydo-réduction, ne s’adsorbe à la surface des minéraux et de la matière organique, ni ne forme de précipités insolubles (Fetter, 1993). En cas d’évaporation ou de mélange avec des eaux dépourvues de ces éléments, le rapport Br/Cl reste constant.
Le strontium (Sr)
Le strontium (Sr) dans les eaux naturelles est à très faible concentration du fait de sa faible solubilité. Il peut être trouvé dans les roches évaporitiques comme la Célestite (SrSO4) qui est généralement associée au gypse (CaSO4, 2H2O). L’utilité du strontium (Sr) comme marqueur est en grande partie attribuée à ses caractéristiques géochimiques. Bien que considéré et classifié comme élément trace, le Sr est présent en quantité mesurable dans beaucoup de types de roches et systèmes aqueux ; il se comporte géochimiquement comme le calcium (Ca) (Gosselin et al., 2004) et est le plus souvent couplé au Ca pour indiquer l’origine des sulfates. D’après Meybeck (1984), le ratio Sr/Ca supérieur à 1‰ caractérise les eaux évaporitiques. Dans le cas contraire, l’eau de mer de concentration 9-14 mg/L (Morell et al., 1986) est principalement responsable de sa présence dans les eaux de nappe. Les eaux souterraines acquièrent du Sr lors de la recharge des nappes et aussi lors de l’écoulement du fait des réactions eau/encaissant et plus spécifiquement des réactions eau/minéraux à forte teneur en Sr comme la célestite (SrSO4) associé au gypse, le strontianite (SrCO3), les carbonates et également des réactions d’adsorption et d’échange de bases à la surface des minéraux argileux (Morgan-Jones et Eggboro, 1981). Le Sr est le plus souvent associé au calcium (Ca) et grâce à la relation Sr/Ca il peut indiquer l’origine des sulfates (Meybeck, 1984). L’enrichissement en Sr associé aux rapport SO4/Cl et Mg/Ca des eaux de certaines nappes peut être lié au temps de résidence de l’eau salée dans l’aquifère, et par conséquent il devient un bon traceur environnemental (Brondi et al., 1983).
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Table des matières
INTRODUCTION
Organisation du document
Chapitre 1: CADRE CONCEPTUEL – ORIENTATION – MATERIELS ET METHODES
1. Cadre conceptuel et physique
2. Orientation de l’étude
3. Les outils utilisés
3.1. Hydrochimie des ions majeurs
3.1.1. L’ion chlorure
3.1.2. Les ions majeurs : Sodium(Na), Potassium(K), Calcium(Ca), Magnésium(Mg)
3.2. Hydrochimie des ions mineurs
3.2.1. L’ion Bromure (Br)
3.2.2. Le Strontium (Sr)
3.2.3. Le Bore (B)
3.3. Les isotopes
4. Matériels et Méthodes
4.1. Campagnes et Réseaux de mesures
4.2. Analyses chimiques
4.3. Analyses des isotopes
Chapitre 2 : CADRE PHYSIQUE : GEOGRAPHIE PHYSIQUE – GEOLOGIE – HYDROGEOLOGIE
1. Situation géographique et conditions climatiques
1.1.Situation géographique et démographique
1.2.Facteurs climatiques
1.2.1. Précipitations
1.2.2. Température- Humidité relative- Insolation
1.2.3. Vents
1.2.4. Evapotranspiration
2. Géomorphologie – hydrologie –Végétation
2.1.Géomorphologie et Morphopédologie
2.2.Hydrologie
2.3.Végétation et cultures
3. Géologie
3.1.Le CT, sa position dans la géologie du bassin sédimentaire sénégalais
3.2. Stratigraphie des formations du CT dans la zone d’étude
3.3. Minéralogie des sédiments du CT
4. Hydrogéologie
4.1. Contexte hydrogéologique à l’échelle du bassin
4.2. Géométrie de l’aquifère CT
4.2.1. Nature et morphologie du substratum
4.2.2. Puissance de la nappe du CT
4.3. Profondeur de la nappe
4.4. Piézomètrie de la nappe
4.5. Les ouvrages de captage
4.6. Recharge
4.6.1. Méthode du bilan hydrique
4.6.2. Méthode géochimique
4.6.3. Méthode de fluctuation de la nappe
5. Fonctionnement hydrodynamique du système par étude de modèle
5.1.Introduction
5.2.Modèle conceptuel, conditions aux limites, maillage et données d’entrée
5.3.Calibration et validation du modèle
5.4.Interprétation en terme de bilan d’échange et de flux d’écoulement
Chapitre 3 : HYDROGEOCHIMIE DES IONS MAJEURS
1. Paramètres physico- chimiques
1.1.pH
1.2. Température
1.3. Conductivité électrique
2. Hydrogéochimie des ions majeurs
2.1. Statistique des éléments majeurs
2.2. Classification des eaux de la nappe
2.3. Processus géochimiques identifiés
2.4. Cas particulier des eaux salées
Chapitre 4 : HYDROGEOCHIMIE DES IONS MINEURS
1. Bromure
2. Strontium
3. Bore
4. Modèles binaires de mélange
4.1.Principe du modèle
4.2.Application de la méthode aux eaux de la nappe du Saloum
4.2.1. Modèle Na vs. Cl et Ca vs. Cl
4.2.2. Modèle B vs. Cl
Chapitre 5 : ISOTOPES STABLES ET RADIOGENIQUES
1. Les isotopes stables de l’eau : 18O et 2H
1.1.Introduction
1.2.Teneurs isotopiques des eaux de pluie 105
1.3.Teneurs en isotopes stables des eaux du fleuve Saloum
1.4. Teneurs en isotopes stables des eaux de la nappe
1.5. Distribution spatiale des teneurs en 18O et 2H – Interprétation en terme de recharge et de régime d’écoulement de la nappe
1.6. Cas des eaux salées de la nappe
2. Le Tritium (3H)
2.1.Introduction
2.2.Les teneurs en 3H dans les eaux de la nappe
Chapitre 6 : SYNTHESE – DISCUSSIONS – PERSPECTIVES
CONCLUSION
