Comment l’eau du Massif Armoricain nous renseigne-t-elle sur l’histoire des climats de la Terre ?



luc_aquilna.jpg

Les grandes variations du climat passé

Une équipe de l’OSUR, autour de Luc Aquilina (laboratoire de Géosciences Rennes), associée au BRGM, a mené des travaux à l’échelle du massif armoricain qui a permis de retrouver au sein des eaux souterraines les étapes des grandes variations du climat passé depuis 5 millions d’années. Ces travaux sont publiés en septembre 2015 dans la revue Scientific reports de Nature sous le titre ‘Impact of climate changes during the last 5 million years on groundwater in basement aquifers’ (1). Ils font suite à l'article publié en mars 2015 dans la revue Hydrology and Earth System Sciences sous le titre 'Time scales of regional circulation of saline fluids in continental crystalline aquifers (Armorican Massif, western France)' (2).


Au sein des eaux souterraines du massif Armoricain, une analyse géochimique a permis de retrouver la trace des climats présents lors de l’infiltration de l’eau dans le sol. Les chercheurs ont tout d’abord analysé le taux de salinité de l’eau 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.

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

Au sein du massif armoricain, trois étapes ont pu être distinguées

Art Hydroclimatma1 Aquilina2015 Scirep


(1) Transgressions Mio-Pliocènes


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 a été menée sur l’ensemble des données de salinité des puits disponibles sur le massif (extraction des données de concentration en chlorures de la base ADES - banque nationale d’Accès aux Données sur les Eaux Souterraines). Cette analyse montre que, dans les zones de transgression (en géologie une transgression marine est l'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 avec la profondeur au-delà d’une profondeur de 100m au-dessus du niveau de la mer (les profondeurs ont été exprimées par rapport au niveau marin et non depuis la surface du sol). Cette profondeur de 100m correspond au niveau atteint par la transgression âgée d’environ 5 millions d’années. Une analyse géochimique détaillée a ensuite été menée sur 12 sites présentant des salinités particulièrement importantes, notamment un forage scientifique réalisé en 2012 à 700m de profondeur : le forage « Cinergy » réalisé près de Chartres de Bretagne (15 km de Rennes, Bretagne). Cette analyse a permis de confirmer l’origine marine des éléments contenus dans les eaux (Cl, Br, ?34S, ?11B). 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.

Art HydroclimatMA2 3 Aquilina2015 SciRep

(2) Fin de la dernière glaciation


Sur les 12 sites, les analyses des gaz dissous dans les eaux, ont également 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 Cinergy. 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 est une période de refroidissement global (ou glaciation) qui caractérise notre planète, il y a 110 000 à 10 000 ans. Le maximum glaciaire a été 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 période correspond donc aux premiers signes de la fin du dernier maximum glaciaire. Cette période est caractérisée d’une part, par les premières ruptures des glaciers et d’autre part, par 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.

(3) 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.

Art Hydroclimatma4 Aquilina2015 Scirep V2


Des travaux et des résultats originaux

Cette étude montre une origine des processus et une chronologie bien établie par rapport aux études antérieures. Ceci est lié d’une part à l’absence de fort relief du massif, et surtout à des phénomènes à caractère très peu ancien. Cette « fraicheur » des processus permet de mieux comprendre les mécanismes. On peut observer que l’introduction d’eau de mer dans les socles anciens se produit aisément et semble en quelques millions d’années pénétrer l’ensemble de la matrice de la roche, par diffusion. Les circulations plus récentes liées à la rupture du permafrost, semblent 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 - (1) l’introduction d’eau de mer dans les socles anciens et (2) 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 semblent conforter 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.


* Source :
(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
doi:10.5194/hess-19-1413-2015

Contact OSUR :
Scientifique Luc Aquilina (Géosciences Rennes)
Communication Alain-Hervé Le Gall (multiCOM OSUR)

------------------------------

Voir aussi

Art Of Aquilina Sept2015b

Source





0 Commentaires