aquifères, recharges et transferts d’eau en zone non ... · 2.2 1992-1996: affectation au centre...

Dossier HDR – M. Descloitres, LTHE, 2010 1

Université Joseph Fourier de Grenoble

Spécialité : Sciences de la Planète

Synthèse des travaux de recherche

Présentée en vue de l’obtention de

L’Habilitation à Diriger des Recherches

Aquifères, recharges et transferts d’eau en zone non-saturée:

Caractérisation par spatialisation et suivi temporel géophysique

Marc Descloitres

Ingénieur de Recherche à l’IRD LTHE (UMR IRD/UJF/CNRS/G-INP)

Equipe Hydrogéophysique CERMO, 460 Rue de la piscine BP 53, 38041 Grenoble Cedex 9

Jury :

MM Michel CHOUTEAU, Ecole Polytechnique de Montréal, Rapporteur

Michel DIAMENT, IPG Paris, Rapporteur

Jean Pierre GOURC, LTHE Grenoble, Examinateur

Anatoly LEGCHENKO, LTHE Grenoble, Examinateur

Olivier RIBOLZI, LMTG Toulouse, Examinateur

Pascal SAILHAC, EOST Strasbourg, Rapporteur

Date de soutenance : 31 mai 2010


Résumé Ce document présente la synthèse de mes travaux de recherche, qui portent sur l’étude des aquifères et des processus de transferts d’eau dans le sous-sol par les outils géophysiques. Ces recherches ont été menées sur les chantiers de l’IRD dans les pays du Sud, souvent confrontés à la rareté des eaux de surface, et qui se tournent de plus en plus vers l’exploitation des ressources en eau souterraine. Les études antérieures permettent de décrire les principaux modèles conceptuels des aquifères et des processus hydrologiques associés (recharge, infiltration dans la proche surface). Néanmoins, selon le contexte géologique et climatique, des questions restent en suspens, comme le rôle que pourraient jouer les ravines de versant dans la recharge, ou comme la description fine du cycle de l’eau à l’échelle des tous premiers décimètres des sols sableux, support de la végétation. Pour mieux gérer la ressource, il est nécessaire d’avoir une meilleure connaissance i) des processus de recharge à l’échelle régionale, et ii) de la structure du sous-sol, notamment des formations argileuses, moins perméables. En zone de socle, les ressources en eau sont modestes et leur prospection est difficile sans l’aide des outils de la géophysique. Mes activités de recherches sont déclinées selon trois axes thématiques: i) la spatialisation des aquifères, ii) l’étude de leur recharge dans différents contextes géologiques et climatiques, et iii) la spatialisation des processus élémentaires de transfert de l’eau en zone non saturée. Un quatrième axe, méthodologique, permet l’adaptation de certains outils géophysiques aux spécificités des aquifères et des processus hydrologiques en jeu. La démarche scientifique utilisée comprend des allers-retours entre modélisations numériques et études de terrain menées sur des bassins versants expérimentaux permettant de disposer de données extérieures, et de croiser les interprétations avec d’autres disciplines. Les méthodes géophysiques utilisées sont principalement les méthodes d’imagerie de résistivité électrique (méthodes à courant continu ou électromagnétiques), et la Résonance Magnétique des Protons, méthode récente de l’hydrogéophysique. Un aspect méthodologique important est l’utilisation des suivis temporels pour traquer les lieux de recharge et les transferts d’eau dans les sols, ceux-ci créant des contrastes géophysiques suffisants pour les suivre spatialement et temporellement. Les résultats peuvent être synthétisés ainsi :

i) La spatialisation géophysique des aquifères de socle à l’échelle du bassin versant permet de mieux comprendre l’organisation des régoliths (réservoir) et de leurs propriétés hydriques. A l’échelle régionale, ce sont les systèmes aquifères sédimentaires qui se prêtent le mieux à une spatialisation, en particulier s’ils comprennent des formations argileuses. Dans tous les cas, l’utilisation de la RMP permet de quantifier la ressource en présence.

ii) Les lieux de recharge dans les versants dépendent du contexte géologique et climatique. Au sahel nous avons mis en évidence des processus d’infiltrations sous les versants sableux en zone sédimentaire, alors que dans les zones de socle, les versants ne participent pas à la recharge. En zone plus humide, les suivis temporels géophysiques permettent de connaître la forme des infiltrations temporaires sous les ravines.

iii) Les processus hydriques dans les sols sableux peuvent être appréhendés par des suivis temporels de résistivité. Ceux-ci permettent de connaître les zones préférentielles d’infiltration et de dessiccation lors de cycles courts. Dans les sols argileux, les relations entre résistivité et variables hydrologiques sont plus difficiles à établir et cela limite les possibilités d’emploi de la résistivité.


iv) D’un point de vue méthodologique, ces études mettent en évidence les sérieuses difficultés rencontrées lors de certains suivis temporels de résistivité. Nos études récentes permettent de proposer une fiabilisation de ces suivis. L’apport de la RMP a été déterminant, par sa capacité à quantifier des paramètres hydriques des terrains étudiés.

Dans le cadre des prolongements du programme AMMA en Afrique de l’Ouest, les

perspectives de mon travail auront principalement pour objectif la spatialisation des ressources en eau souterraine des zones de socle, l’identification des zones de recharge à plus grande échelle, en utilisant un couplage accru entre la RMP et les méthodes de résistivité, ainsi que les potentialités offertes par les suivis temporels électromagnétiques.


Liste des abréviations utilisées

• AMMA : Analyse Multidisciplinaire de la Mousson Africaine

• AMMA-Catch : Observatoire ORE « Couplage de l’ATmosphére et du Cycle Hydrologique »

• ANR Ghyraf: Agence Nationale de la Recherche, projet « Gravimétrie et Hydrologie en Afrique »

• BRGM : Bureau de Recherche Géologique et Minière

• BVET : ORE « Bassin Versants Expérimentaux Tropicaux »

• EAGE : European Association of Geoscientists and Engineers

• EC2CO « Ondine » : projet Ecosphère Continentale et Côtière » Impact des changements d’usages des terres sur la genèse des crues »

• ERT : Electrical Resistivity Tomography

• GEOFCAN : Réseau de Recherche sur la Géophysique des Couvertures Anthropisées et Naturelles

• HSM : Laboratoire HydroSciences Montpellier

• IRD : Institut de recherche pour le Développement

• LMTG : Laboratoire de Mécanique des Transferts en Géologie

• LTHE : Laboratoire d’Etude des Transferts en Hydrologie et Environnement

• ORE : Observatoire Régional en Environnement (maintenant SO : Service d’Observation)

• OSUG : Observatoire des Sciences de l’Univers de Grenoble

• RMP : Résonance Magnétique des Protons

• TDEM : Time Domain Electromagnetism

• ZNS : zone non-saturée


Table des matières Pages 1ère partie : CURRICULUM VITAE

1 Diplômes 7 2. Etapes principales de ma carrière 7

2.1 Résumé 7 2.2 1992-1996: Affectation au centre IRD de Dakar, Sénégal 8 2.3. 1996-1999: Préparation d’une thèse à Paris 9 2.4. 2000-2003: Affectation au Burkina Faso, UR Geovast 9 2.5. 2003-2006: Visiting scientist à l’Indian Institute of Science, Bangalore, Inde 10 2.6. 2006-2010: Affectation au LTHE à Grenoble 11

3. Synthèse des publications 12 4. Encadrements et enseignements 13

4.1 Direction de thèses 13 4.2 Tableau des encadrements d’étudiants de 3ème cycle, 1992-2009 13 4.3 Enseignements 16

5. Participation à des projets scientifiques 16

2ème partie : TRAVAUX DE RECHERCHE Introduction 18

1. Questions scientifiques abordées 19 1.1. Les aquifères de socle 19

a) Distribution verticale des propriétés hydrauliques 20 b) Aquifères de socle sous climat sahélien 21 c) Aquifères de socle sous climat soudanien à guinéen 22

1.2 Les aquifères sédimentaires en zone semi-aride 23 1.3 Les processus élémentaires à l’échelle de la parcelle ou de la séquence de sols 25

2. Méthodologie 27

2.1. Approche générale 27 2.2. Principales méthodes géophysiques employées 29

a) Méthodes de résistivité 29 b) La Résonance Magnétique des Protons (RMP) 31 c) Autres méthodes utilisées 32

2.3. Exemples de mise en œuvre des méthodes géophysiques 32 a) Site de Katchari, Burkina Faso 33 b) Site de Moole Hole, Inde du Sud 34 c) Site d’Ara, Nord Bénin 34 d) Autres sites étudiés 35

3. Synthèse des résultats 36

3.1. Spatialisation des aquifères 36 a) Spatialisation des altérites de socle et de leurs paramètres hydriques 36 b) Spatialisation régionale des aquifères sédimentaires 40 c) En résumé 43

3.2 Recharge des aquifères 44 a) Les ravines de versant sont-elles des lieux de recharge ? 44 b) Comment s’effectue la recharge des aquifères par les ravines de bas fond ? 48


c) En résumé 50 3.3. Etude des transferts d’eau dans les premiers décimètres du sol 51

a) Les transferts d’eau dans une micro-dune lors de cycles de pluie 51 b) Les transferts d’eau dans un système de sols 55 c) En résumé 57

3.4. Apports méthodologiques 58 a) Conception d’une sonde de diagraphie de résistivité en zone non-saturée 58 b) Vers une fiabilisation des imageries de suivi temporel de résistivité 58

4. Perspectives 62

Introduction 62 4.1 Projet de recherche au Bénin 63

a) Spatialiser les ressources en eau en zone de socle à l’échelle régionale 63 b) Spatialiser la recharge à l’échelle du bassin versant 65 c) Mieux quantifier le bilan de l’eau souterraine à l’échelle du site 66

4.2 Autres projets 68 a) Spatialiser la dynamique des infiltrations par suivi temporel de résistivité 68 b) La résistivité est-elle un marqueur de la dégradation des déchets 69

Conclusion 71 Références bibliographiques 72 Annexe 1. Liste des publications 77

1. Publications dans des journaux à comité de lecture 78 2. Articles soumis 79 3. Brevet 80 4. Conférences internationales avec actes 80 5. Conférences nationales, colloques et réunions scientifiques 82 6. Rapports de contrats, de mission 84 7. Contributions diverses 85 8. Relectures d’articles pour revues à comité de lecture 85

Annexe 2. Tirés à part des principaux articles 86


CURRICULUM VITAE

Marc DESCLOITRES > Géophysicien, Ingénieur de Recherche 1ère classe à l’IRD > Depuis 2006 : membre de l’équipe Hydrogéophysique (HGP) au Laboratoire d’étude des

Transferts en Hydrologie et Environnement (LTHE), Université de Grenoble. Bat. CERMO, bureau 333 460 Rue de la Piscine BP 53, 38041 GRENOBLE Tel 04.76.63.56.59 [email protected] 1 Diplômes

1998 : Thèse de Doctorat, Université de Paris 6, Laboratoire de Géophysique

Appliquée. Sujet : « Les sondages électromagnétiques en domaine temporel (TDEM) : Application à la prospection d’aquifères sur les volcans de Fogo (Cap Vert) et du Piton de la Fournaise (la Réunion) ». Thèse de Doctorat de l’Université de Paris 6, direction A. Tabbagh.

1986 : DEA « Mécanique des Milieux Géophysiques et Environnement », IRIGM,

Grenoble. Sujet : « Modélisation analytique des contraintes dans une formation calcaire soumise à des poussées horizontales».

1985 : Maîtrise de Géologie Expérimentale, Université Grenoble 1.

2. Etapes principales de ma carrière

2.1 Résumé

Depuis 1986, j’ai exercé les fonctions d’ingénieur en géophysique dans diverses structures (CEA, bureau d’étude) et depuis 1991 à l’ORSTOM (IRD). Après ma thèse de doctorat en 1998, mon activité s’est orientée vers la conception, la réalisation et la valorisation de recherches en géophysique appliquée aux eaux souterraines, ce qu’on appelle maintenant l’hydrogéophysique. La plupart de mes activités se sont déroulées dans les pays du Sud où l’IRD développe des partenariats, déploie des dispositifs d’observation de l’environnement, et nous incite à former nos partenaires par la recherche. J’ai ainsi alterné des périodes d’expatriation avec des périodes dans des laboratoires en France (tableau 1).

mailto:[email protected]�


Poste

Organisme Structure Equipe Lieux Dates

Ingénieur

CEA

Laboratoire de Détection Géophysique

Projet « Houillères de Provence »

Paris 1987

VSN CEA Observatorio San Calixto

La Paz, Bolivie

1988

Ingénieur SIMECSOL Bureau d’étude (120 ingénieurs)

« Mesures dynamiques »

Paris 1990

Ingénieur d’étude

2ème classe (IE2)

ORSTOM (IRD)

Centre IRD d’île de France

Géophysique

Bondy 1991

IE2

ORSTOM (IRD)

Centre IRD de Dakar

Géophysique Dakar, Sénégal

1992- 1996

IE2

ORSTOM (IRD)

Université de Paris 6

Laboratoire de géophysique appliquée

Paris

1996-1999

Ingénieur de Recherche 2ème classe

(IR2)

IRD

Centre IRD de Ouagadougou

UR Geovast

Ouagadougou, Burkina Faso

2000-2003

Ingénieur de Recherche 1ère classe

(IR1)

IRD

Indian Institute of Science

Cellule Franco Indienne de Recherche sur l’Eau

Bangalore, Inde

2003-2006

IR1 IRD LTHE Hydrogéophy-sique (HGP)

Grenoble 2006-2010

Tableau 1. Postes occupés durant ma carrière.

2.2. 1992-1996 : Affectation au centre IRD de Dakar, Sénégal

Ingénieur géophysicien au centre IRD de Dakar, je développe, sous la responsabilité de Michel Ritz, une activité basée sur l’application de méthodes géophysiques aux problèmes d’eau souterraine. Les projets sur les aquifères du Sénégal en zone côtière, puis sur l’aquifère profond du Maastrichien étudié par l’équipe de Michel Chouteau de l’école Polytechnique de Montréal (Giroud et al., 1997) nous confortent sur la nécessité de renforcer à l’IRD une thématique géophysique dédiée aux eaux souterraines. Yves Albouy, géophysicien au centre IRD de Bondy, structure ces projets avec le programme « Géaquif » (Géophysique appliquée aux aquifères), et deux projets majeurs vont émerger en dehors du Sénégal:

Le projet « Hydrofournaise » à l’île de La Réunion permet d’appliquer des sondages électromagnétiques de résistivité aux aquifères: Audio-Magnétotéllurique (AMT) et Very Low Frequency (VLF) tout d’abord, puis utilisation du Time Domain Electro-Magnetism (TDEM) sous l’impulsion de Pierre Andrieux (Paris 6) et d’Yves Albouy (IRD Bondy). A la suite de ces études, l’application de ces méthodes pour la prospection d’aquifères volcaniques est validée (Courteaud et al., 1996 ; Robineau et al., 1997 ; Ritz et al., 1997 ; Descloitres et al., 1997).

Le projet « Aquifères du volcan Fogo » (archipel des îles du Cap Vert) étudie les aquifères de la caldeira et des flancs du volcan avec la méthode TDEM. Nos mesures TDEM montrent dans la caldeira des problèmes majeurs. Je décide de monter un


projet de recherche avec la mission de coopération Française au Cap-Vert, et les données collectées serviront pour la réalisation de ma thèse.

Parallèlement à la réalisation de ces projets, des collègues travaillant au Cameroun (H. Robain et J. J. Braun) nous sollicitent pour prospecter les sols de bassins versants en forêt équatoriale (Robain et al., 1996). Grâce à l’émergence de nouvelles méthodes de mesures (tomographie de résistivité électrique, radar géologique), je contribue à la constitution d’un pôle d’étude des sols tropicaux par méthodes géophysiques. Ces études se poursuivront plus tard avec la création de l’équipe «Geovast», faisant suite au programme «Géaquif». 2.3 . 1996-1999: Préparation d’une thèse à Paris La mise en évidence de courbes de sondage TDEM anormales dans la caldeira du volcan Fogo me conduit à réaliser une thèse au Laboratoire de Géophysique Appliquée de l’Université de Paris 6 sous la direction d’Alain Tabbagh. Cette étude ne sera pas relatée dans ce document. Pour résumer, elle m’amène à proposer une méthodologie adaptée à la reconnaissance et au traitement des anomalies de résistivité complexe en TDEM (Descloitres et al, 2000). En parallèle, une nouvelle idée naît dans l’équipe Géaquif : celle d’introduire une paramétrisation à base de données géophysiques dans les modèles hydrogéologiques. Je monte, avec Roger Guérin de Paris 6, une action qui vient renforcer le programme PNRH de notre collègue Anne Coudrain (Paris 6) portant sur la dynamique d’un aquifère salé d’extension régionale en Bolivie (altiplano). Nos collègues hydrogéologues comptent contraindre la modélisation des flux souterrains par les limites géométriques données par la géophysique. Grâce aux données acquises en TDEM, j’établis une relation régionale permettant de délimiter des zones argileuses peu conductrices hydrauliquement (Guérin et al., 2001). Enfin, divers projets d’applications du TDEM et du radar géologique voient le jour, à mon initiative:

• Premières prospections radar appliquées à la reconnaissance des épaisseurs des glaciers en France et en Bolivie au sein de l’équipe « Great Ice » de l’IRD (Descloitres et al., 1999). Les résultats sont largement utilisés dans la thèse d’Edson Ramirez sur le glacier de Chacaltaya en Bolivie (Ramirez et al., 2000).

• Utilisation de la méthode TDEM pour l’étude des glissements de terrain argileux, dans le cadre de la thèse de Myriam Schmutz (Université de Strasbourg, Schmutz et al., 1999 et 2000).

2.4 . 2000-2003 : Affectation au Burkina Faso, UR Geovast Fin 99, je contribue à définir les objectifs d’une Unité de Recherche IRD montée par Henri Robain, l’UR « Geovast », qui réunit pédologues et géophysiciens. Cette équipe compte étudier la spatialisation des sols tropicaux et leur dynamique hydrique par le suivi temporel de paramètres géophysiques. Lors de mon affectation au Burkina Faso, je travaille principalement sur le terrain de l’équipe « Erosion et Changements d’Usage des terres » (ECU) de l’IRD où j’organise les opérations géophysiques. Elles sont couplées avec les études hydrologiques menées par Olivier Ribolzi et Jean Pierre Delhoume. Nous étudions avec nos méthodes respectives les mêmes processus hydriques de ces milieux semi-arides à


différentes échelles spatiales (de la parcelle au bassin versant), et temporelles (de l’évènement pluvieux à la saison hydrologique). Les résultats obtenus montrent les avantages, mais surtout les limites de certains suivis temporels de résistivité (Descloitres et al., 2003). La problématique de recharge des aquifères est aussi abordée grâce aux suivis temporels de résistivité en coupe 2D. Nous étudions aussi certains processus d’infiltration à fine échelle en conditions semi contrôlées (Descloitres et al., 2008). Ces expériences seront décrites dans la deuxième partie de ce mémoire car elles ont fondé une partie importante de mon travail de recherche des années suivantes. A ce moment (2003), la question méthodologique que je me pose est la suivante : « la méthode de suivi temporel de résistivité est-elle suffisamment fiable pour en tirer des renseignements utiles à notre compréhension des cycles souterrains de l’eau? ».

Parallèlement à ces études sur le processus, je poursuis aussi mes recherches sur la caractérisation géophysique des aquifères de socle. J’encadre localement la thèse de Ghislain Toé (Paris 6) dirigée par Pierre Andrieux et Yves Albouy, portant sur une thématique d’imagerie géophysique des aquifères de socle (Toé et al., conf. EAGE, Paris, 2004). Je conçois une étude sur l’imagerie en suivi temporel de résistivité lors de l’hydrofracturation des forages de socle et encadre à cette occasion deux diplômants de Lausanne, Mathieu Beck et Denis Girardet, avec Dominique Chapellier (Beck et al., conférence Geofcan, 2001). Enfin, l’étude des aquifères de socle est abordée avec la Résonance Magnétique des Protons, méthode émergente et sujet de la thèse de mon collègue Jean Michel Vouillamoz : nous réalisons la première expérimentation de la méthode en zone de socle en Afrique (Vouillamoz et al., 2005). D’autres thématiques voient le jour au Niger et du Bénin :

• Au Niger, à l’occasion de la thèse de Sylvain Massuel (direction Guillaume Favreau)

nous essayons de mettre en évidence les lieux d’infiltration profonde le bassin versant expérimental de Wankama (Massuel et al., 2006). A cette occasion, et en collaboration avec mon collègue Yann Le Troquer, je conçois et fabrique un outil de diagraphie, la sonde gonflable qui sera breveté par l’IRD. Il sera largement utilisé par la suite, par exemple en Inde (Braun et al., 2009).

• Au Bénin je réalise les premières mesures géophysiques sur le bassin versant du Service d’Observation (SO « AMMA-Catch ») avec l’aide de Maxime Wubda que j’encadre pour son stage de DESS. Les résultats, permettent d’enrichir la première compréhension des processus hydrologiques au Bénin (Kamagaté et al., 2007). Aussi, ce travail fournit des hypothèses sur le rôle des nappes perchées pour la modélisation hydrologique faite par Mathieu Le Lay, en thèse au LTHE (Lelay et al., 2008).

2.5 . 2003-2006 : Visiting scientist à l’Indian Institute of Science, Bangalore,

Inde. L’expertise acquise au Burkina Faso m’amène à participer à un projet initié par Jean Jacques Braun et Henri Robain en collaboration avec nos collègues indiens de l’Indian Institute of Science (IISc). Différentes problématiques hydrologiques attendent la contribution des outils géophysiques sur les bassins versants expérimentaux de la Cellule Franco-Indienne de Recherche en Science de l’Eau (CEFIRSE), à Bangalore. Je propose de réaliser une spatialisation géophysique selon 3 échelles :


a) La parcelle de sols (collaborations L. Barbiéro, L. Ruiz et M. S. Mohan Kumar), qui nous permet de réaliser des expériences de suivi temporel de résistivité sur tout le cycle de mousson. Nous nous heurtons de nouveau à des problèmes d’artefacts d’imagerie de résistivité. La cartographie géophysique des sols à l’échelle du bassin permet de compléter la compréhension du fonctionnement des sols (Barbiéro et al., 2007). b) Le versant (collaborations L. Ruiz et M. Sekhar). A cette échelle, il faut comprendre la recharge des aquifères. L’utilisation de la méthode RMP par A. Legchenko montre l’apport de la modélisation 2D (Legchenko et al., 2006). Les résultats sont comparés avec succès avec les images de résistivité 2D, et je montre la faisabilité du suivi temporel en RMP pour l’étude de la recharge localisée (Descloitres et al., 2008). Ces études concrétisent nos espoirs de voir cette méthode applicable à des géométries d’aquifère complexes Pour le suivi temporel de résistivité, j’ai retrouvé à cette échelle les mêmes problèmes que ceux rencontrés au Burkina Faso. D’autres études montrent des problèmes similaires (Kemna et al., 2004). Je décide d’en faire un thème de recherche méthodologique et la thèse de Rémi Clément que je co-encadre au LTHE portera partiellement sur cette thématique. c) Le bassin versant (collaborations J. J Braun, J. Riotte et nos collègues de l’IISc). L’objectif final est de réaliser le bilan géochimique d’altération de ces roches cristallines sous climat tropical. Nous avons réalisé une étude couplée géochimie/géophysique, et Simon Fleury, stagiaire de l’EOST de Strasbourg, a réalisé sous ma direction une étude sur les incertitudes des paramètres d’inversion en imagerie de résistivité (Braun et al., 2009).

Enfin, depuis l’Inde, je participe au montage de la nouvelle équipe Hydro-Géo-Physique (HGP) au LTHE, que je rejoins en 2006, pour approfondir ma formation d’utilisateur de la méthode RMP. 2.6 . 2006-2010 : Affectation au LTHE à Grenoble A mon arrivée au LTHE mes objectifs sont de fiabiliser le suivi temporel de résistivité, et contribuer ainsi à l’étude du bilan de l’eau. Outre la valorisation de nos actions « Inde », je participe à plusieurs projets :

a) La spatialisation des transferts d’eau dans le sous-sol par suivi temporel de résistivité nécessite une amélioration des procédures d’imagerie existantes. C’est un des volets de la thèse de Rémi Clément. Récemment, des avancées très significatives ont été obtenues (Clément et al., 2009), grâce à l’outil d’inversion développé par le Dr Thomas Gunther du Leibniz Institute of Applied Geophysics de Hanovre avec qui nous avons monté une collaboration. D’autre part, nous profitons du projet ANR « Bioréacteur » (coordination J. P Gourc, LTHE) pour appliquer cette méthodologie à une thématique environnementale majeure, celle de l’optimisation de la biodégradation des déchets ménagers (Clément et al., 2010). J’y greffe aussi un suivi temporel de résistivité par sondage électromagnétique TDEM.


b) Une approche couplée entre géophysique et modélisation est de nouveau tentée au Niger avec mes collègues IRD d’HydroSciences Montpellier (HSM). Cette approche est initiée au Niger par J. M. Vouillamoz et G. Favreau et j’apporte ma contribution à ce projet en réalisant des sondages électromagnétiques TDEM (Boucher et al., 2009). Un autre projet, près du Lac Tchad (coord. P Genthon) m’offre la possibilité de coupler le TDEM à la RMP. Avec Kostas Chalikakis (post-doc LTHE), nous réalisons la première prospection des aquifères de la vallée de la rivière Komadougou. Pierre Genthon (HSM) me propose de co-encadrer la thèse de Abdou Moumouni, hydrogéologue nigérien, commencée en 2009.

c) Le programme Ghyraf (Gravimétrie et Hydrologie en Afrique de l’Ouest, coordination J. Hinderer, EOST Strasbourg) m’offre la possibilité de coupler les méthodes RMP et électriques sur des sites expérimentaux de l’ORE Amma-Catch, notamment au Bénin (Descloitres et al., 2010, soumis).

d) La capacité de la RMP à détecter de l’eau liquide en fait une méthode idéale pour le projet d’étude de l’eau liquide dans les glaciers, monté en collaboration avec Christian Vincent du LGGE (Descloitres et al., 2010, rapport de mission LTHE).

3. Synthèse des publications

La liste complète de mes publications est retranscrite en annexe 1. J’en donne la synthèse sous forme d’histogramme sur le tableau 2 ci-dessous.

Tableau 2. Synthèse des publications depuis 1992 (mise à jour : 21/02/2010)


4. Encadrements et enseignements

4. 1 Direction de thèses Clément, R. Caractérisation de l’infiltration par imagerie et suivi temporel géophysique.

Méthodes électriques, électromagnétiques et RMP. Thèse sur bourse Ministère de la Recherche, Directeur de thèse : J. P. Laurent ; LTHE, co-directeur de thèse : M. Descloitres, LTHE. 2007-2010.

Moumouni, A. Hydrogéophysique des invasions salées de l’aquifère de Bosso, Est Niger. Caractérisation, modélisation et possibilités d’exploitation. Directeur de thèse : Pierre Genthon, DR IRD, HSM (partie hydrogéologie) ; co-directeur de thèse : M. Descloitres, LTHE (partie géophysique). Thèse préparée à l’Université de Niamey, en cours 2009-2012.

Toé, G. 2004. Apport de nouvelles méthodes géophysiques à la connaissance des aquifères de socle. Tomographie électrique, électromagnétisme fréquentiel, sondages par résonance magnétique des protons. Applications au Burkina Faso. Thèse de doctorat de l’Université de Paris 6, soutenue le 11 juin 2004. Directeurs de thèse : Andrieux, P., Albouy, Y., Legchenko, A. Co-encadrant au Burkina Faso pendant 3x6 mois, membre du jury.

4.2 Tableau des encadrements d’étudiants de 3ème cycle, 1992-2009

Depuis 1992, j’ai encadré 24 étudiants de 3ème cycle, surtout de 5ème année universitaire,

mais aussi lors de thèses, pour lesquelles j’ai apporté mon expertise sur certains outils géophysiques, l’étudiant mettant ensuite en œuvre lui-même la méthode sur le terrain. Je recense dans le tableau 3 ci-dessous le détail de ces encadrements, en précisant les sujets traités ainsi que les co-publications issues de leurs travaux (y compris pour les 3 étudiants en thèse cités plus haut).


Nom de

l’étudiant

Année/ durée

Responsa-

bilité

Titre du mémoire

Co-publications

CLEMENT Rémi

2007-2010 LTHE

Co-directeur Caractérisation de l’infiltration par imagerie et suivi temporel géophysique. Méthodes électriques, électromagnétiques et RMP

* 2 articles: C. R. Geosciences (1), Waste M.(1), * 2 articles soumis (Near Surface Geophysics, Waste management), 4 conférences : EAGE (1), EGU (1), Geofcan (1), MRS2009 (1)

TOE Ghislain

2002-2004 Paris 6

Co-encadrant Apport de nouvelles méthodes géophysiques à la connaissance des aquifères de socle au Burkina Faso

* 1 conférence: EAGE (1)

MASSUEL Sylvain

2002 HSM Participation Évolution récente de la ressource en eau consécutive aux changements climatiques et environnementaux du sud-ouest du Niger

* 1 article : Catena (1), * 3 conférences : MRS 2009 (2), Geofcan (1)

SCHMUTZ Myriam

1998-1999 Univ. Strasbourg

Participation Apport des méthodes géophysiques à la connaisance des glissements-coulées.

* 2 articles : Revue Géotechnique (1), Surveys in Geophysics (1), * 1 conférence : EGS (1)

RAMIREZ Edson

1998 Paris 6 Participation Influence de la variabilité climatique sur un glacier de la Cordillère Royale de Bolivie : le Glacier de Chacaltaya (16°S).

* 3 articles : Journal of Glaciology (1), Pangea (1), Houille Blanche (1)

TH

ESE

S FR

AN

CE

COURTEAUD Michel

1994-95 Univ. La Réunion

Participation Etude des structures géologiques et hydrogéologiques du massif de la Fournaise par la méthode AMT

* 4 articles : Geophysics (1), Groundwater (1), Comptes rendus Geosciences (1), Water Resources Research (1) *4 conférences : IAH (2), EEG (1), EEGS (1)

BOUCHER Marie

2008-2009 HSM

Participation Hydrogéophysique * 1 article: Comptes Rendus Geoscience (1), * 2 conférences : MRS2009 (1), AMMA (1)

Post

D

ocs

CHALIKAKIS Konstantinos

2008-2009 LTHE

Participation Hydrogéophysique * 1 article en cours de rédaction

MOUMOUNI Abdou Moussa

2009-2012 U. Niamey

Co-directeur Les nappes salées de l’aquifère de la Komadougou, Est Niger

* 1 article en cours de rédaction

PARATE Harshad

2004-2005 IISC Inde

Co-encadrant

Modélisation des flux d’eau en zone non saturée * 1 article en review à Current Science (Inde)

TH

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EN

AIR

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CHAUDURY Abhijit

2004-2005 IISC Inde

Participation Modélisation stochastique d’un aquifère de socle * 1 article en review à Mathematical Geology

Tableau 3. 1ère partie Etudiants encadrés en thèse

http://www.sudoc.abes.fr/DB=2.1/SET=6/TTL=1/CLK?IKT=1016&TRM=E%CC%81volution+re%CC%81cente+de+la+ressource+en+eau+conse%CC%81cutive+aux+changements+climatiques+et+environnementaux+du+sud-ouest+du+Niger�http://www.sudoc.abes.fr/DB=2.1/SET=6/TTL=1/CLK?IKT=1016&TRM=E%CC%81volution+re%CC%81cente+de+la+ressource+en+eau+conse%CC%81cutive+aux+changements+climatiques+et+environnementaux+du+sud-ouest+du+Niger�http://www.sudoc.abes.fr/DB=2.1/SET=6/TTL=1/CLK?IKT=1016&TRM=E%CC%81volution+re%CC%81cente+de+la+ressource+en+eau+conse%CC%81cutive+aux+changements+climatiques+et+environnementaux+du+sud-ouest+du+Niger�http://www.sudoc.abes.fr/DB=2.1/SET=1/TTL=3/CLK?IKT=1016&TRM=Etude+des+structures+ge%CC%81ologiques+et+hydroge%CC%81ologiques+du+massif+de+la+Fournaise+par+la+me%CC%81thode+audiomagne%CC%81totellurique�http://www.sudoc.abes.fr/DB=2.1/SET=1/TTL=3/CLK?IKT=1016&TRM=Etude+des+structures+ge%CC%81ologiques+et+hydroge%CC%81ologiques+du+massif+de+la+Fournaise+par+la+me%CC%81thode+audiomagne%CC%81totellurique�http://www.sudoc.abes.fr/DB=2.1/SET=1/TTL=3/CLK?IKT=1016&TRM=Etude+des+structures+ge%CC%81ologiques+et+hydroge%CC%81ologiques+du+massif+de+la+Fournaise+par+la+me%CC%81thode+audiomagne%CC%81totellurique�http://www.sudoc.abes.fr/DB=2.1/SET=1/TTL=3/CLK?IKT=1016&TRM=Etude+des+structures+ge%CC%81ologiques+et+hydroge%CC%81ologiques+du+massif+de+la+Fournaise+par+la+me%CC%81thode+audiomagne%CC%81totellurique�


SIMONOVICI Patrick Denis

2009, 5 mois INPG

Responsable Application de la tomographie électrique au suivi infiltrométrique .

PARRA Johan

2007 6 mois M2P

Co-responsable

Géophysique appliquée au suivi des déchets. Chatuzange.

FLEURY Simon

2005, 6 mois EOST

Responsable Determination of the weathered thickness at Moole Hole and Maddur watersheds using 2D electrical imaging

* 1 article : Geochimica et Cosmochimica Acta (1) * 1 conférence : Goldschmitd Conférence (1)

SIMONATO Nelly

2003 2 mois DESS

Participation Prospection géophysique du bassin versant de Moole Hole, Inde

WUBDA Maxime

2003 DESS Responsable Prospections géophysiques sur le bassin versant d’ARA, Nord Bénin

* 1 article soumis (Near Surface Geophysics) * 2 conférences : EAGE (1), AMMA (1)

BECK Matthieu

2001-2002 10 mois Lausanne

Responsable Diagraphies électriques pour l’optimisation de l’hydrofracturation au Burkina Faso

* 1 conférence : Geofcan (1)

GIRARDET Denis

2001-2002 10 mois Lausanne

Responsable Diagraphies électriques pour l’optimisation de l’hydrofracturation au Burkina Faso


ZANOLIN Anne

1996 DESS Co-responsable

Etude hydrogéologique et géophysique des aquifères de la zone du Ngalenka, périmètre irrigué de la vallée du fleuve Sénégal


LAMY Violaine

1995 DESS 4 mois

Co-Responsable

Application du radar géologique à l’étude des formations superficielles en régions sahéliennes et méditerranéennes

5èm

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FORGET Francis

1994 DESS 4 mois

Co-Responsable

Utilisation du VLF pour la reconnaissance de la structure du volcan Fogo (Cap-Vert)

TCHANI Joseph

1995-96, Univ. Dakar

Responsable L'aquifère des sables quaternaires au Nord de la presqu'île du Cap-Vert (Sénégal): Analyse d'un cas d'invasion saline.

GOMIS Raymond

1995-96 Univ. Dakar

Responsable L’aquifère des sables quaternaires de la presqu’île du Cap-Vert (Sénégal) : Morphologie déduite des données hydrogéologiques et géophysiques

DIOUF Same

1995-96 Univ. Dakar

Co-Responsable

Application de la géophysique (électrique et sismique) pour l’étude du réservoir de l'aquifère du littoral Nord Sénégalais

5èm

e ann

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KOUSSOUBE Youssouf

1992, 2 mois Dakar

Co-responsable

Etude géophysique du Nord Sénégal

Vol

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BOST Adelphe

2006-2007

Responsable

Geophysical, geological and cartographic survey at the Moole Hole and Maddur watersheds, South India

* 3 conférences : EAGE (1), Goldschmidt (1), MRS2007 (1)

Tableau 3. 2ème partie : Etudiants encadrés en 5ème année universitaire.

http://www.sudoc.abes.fr/DB=2.1/SET=6/TTL=1/CLK?IKT=1016&TRM=E%CC%81volution+re%CC%81cente+de+la+ressource+en+eau+conse%CC%81cutive+aux+changements+climatiques+et+environnementaux+du+sud-ouest+du+Niger�


4.3. Enseignements Impliqué depuis 1998 dans quelques formations professionnelles, principalement à

destination de nos partenaires africains ou indiens, je participe depuis mon arrivée au LTHE à des sessions de cours sur l’hydrogéophysique, avec mes collègues S. Garambois et A. Legchenko. Le but est de donner une formation pratique adaptée à des ingénieurs, leur permettant de comprendre les techniques récentes de l’hydrogéophysique et d’en mesurer les avantages et les limites, dans le cadre de projets environnementaux intégrant plusieurs disciplines.

• Co-responsable du module « Hydrogéophysique» du Master2P « Eaux Souterraines »

de l’UFR « OSUG » à l’Université J. Fourrier de Grenoble. Cours « Hydrogéophysique, méthodes électriques », 25 heures de cours –TD- TP terrain).

• Cours de géophysique de 3ème année du cycle Universitaire « Polytech » 2008 et 2009 à l’Université J. Fourrier de Grenoble (15 heures de cours –TD). « Géophysique appliquée aux problèmes environnementaux »

• Formation à l’imagerie par tomographie de résistivité, 2007, Institut Technologique du Karnataka, Suratkhal, Inde, 15 étudiants niveau 3ème cycle, 2 jours de cours et TD.

• Séminaire de cours « Géophysique Appliquée en Prospection Minière », 1999, IRD, Guinée Conakry, 5 jours.

5. Participation à des projets scientifiques

Depuis 1992, j’ai participé à différents programmes d’expertise et de recherche. Depuis 1998, je suis responsable de volets de recherche au sein de programmes principalement nationaux. Ces programmes sont décrits dans le tableau 4 ci-dessous.

Nom du programme et thématique

Année(s)

Origine des

financements

Montant

géré (euros)

Volets de recherche en tant que responsable,

publications et conférences issues de ces actions

Interreg Risques glaciaires

2010-2011

Projet Européen 15000 Resp : Christian Vincent, LGGE, Mesure de la quantité d’eau liquide dans un glacier par RMP.

De l’eau liquide dans le glacier de Tête Rousse ?

2009 « TUNES » UJF France

12000 Resp : Marc Descloitres, Mesure de la quantité d’eau liquide dans un glacier par RMP.

Ondine : Impact des changements d’usages des terres sur la genèse des crues

2008-2010

EC2CO France

5000

Coord. Olivier Ribolzi, LMTG Toulouse Suivi temporel d’une infiltration provoquée en tomographie électrique Publication(s) : 2 ; conférence(s) : 2

Paraphyme : gestion des déchets anciens

2009-2010

ADEME France

13000 Coord : Jean Pierre Gourc, Mesures TDEM et RMP sur les déchets anciens

« Bioréacteur » Optimisation de la gestion des déchets

2007-2009

ANR

France

10 000

Coord. :Jean Pierre GOURC, LTHE, Grenoble Suivi temporel de la résistivité des déchets par sondage TDEM Publication(s): 2; conférence(s) : 3

Ghyraf : Gravimétrie et Hydrologie en Afrique.

2008-2010

ANR

Niger/Bénin

5 000

Coord : Jacques Hinderer, EOPGS, Strasbourg Caractérisation géophysique des sites des gravimètres : Lac Tchad, Bénin Publication(s) : en cours ; conférence(s) : 1


Lac Tchad : Ressources en eau et impacts environnementaux

2008-2010

IRD Programme Structurant Pilote (PSP)

Niger

14 000

Coord. Pierre Genthon, HSM, Montpellier Volet hydrogéophysique : caractérisation des aquifères de la Komadougou Publication(s) : en cours ; conférence(s) : 1

Fonctionnement hydrologique des bassins expérimentaux du Bénin

2003 puis

2006-2008

AMMA Bénin

15 000

Coord. Marc Descloitres Apport de l’hydrogéophysique à l’hydrologie des bassins versants expérimentaux du programme AMMA Publication(s) : en cours ; conférence(s) : 1

L’aquifère du continental terminal au Niger : limites géométriques

2006

AMMA Niger

10 000

Coord. Marc Descloitres. Guillaume Favreau Caractérisation électromagnétique TDEM des sites de mesures RMP Publication(s) : 1 ; conférence(s) : 1

Fonctionnement biogéochimique des bassins de la rivière Kabini, Inde du Sud.

2003-2006

ECCO et EC2CO

Inde

15 000

Coord. Jean Jacques Braun, LMTG, Toulouse Apport de l’hydrogéophysique à l’hydrologie des bassins versants expérimentaux du programme ORE « Bassins versant expérimentaux tropicaux » Publication(s) : 3 ; conférence(s) : 3

Les aquifères granitiques de la région d’Hyderabad, Inde

2003-2005

CEFIPRA

Inde

-

Coord. Jean Michel Baltassat , BRGM Apport du TDEM à la reconnaissance des altérites de granite Publication(s) : - ; conférence(s) : 1

Relation entre sols et hydrologie en Afrique sub-saharienne

2000-2003

PNSE

Burkina Faso

30 000

Coord. Henri Robain et Olivier Ribolzi Responsable des suivis temporels géophysique au Burkina Faso, gestion crédits de l’Unité IRD « Geovast » pendant 3ans,. Publication(s) : 3 ; conférence(s) : 4

Neige et Glaciers tropicaux

1998

Programme NGT IRD

Bolivie

5000

Coord. Pierre Ribstein et Bernard Francou Apport du radar géologique à la détermination de l’épaisseur des glaciers. Publication(s) : 2 ; conférence(s) : 2

Fonctionnement hydrologique de l’aquifère de l’altiplano Bolivien

1998

PNRH Bolivie

15 000

Coord. Anne Coudrain Paramétrisation des terrains aquifères de l’Altiplano Bolivien par sondage TDEM Publication(s) : 2 ; conférence(s) : 2

Etude du glissement coulée de Super Sauze

1998-1999

PNRN France

3000

Coord. Olivier Maquaire, Strasbourg Sondages TDEM sur les glissements, thèse de M. Schmutz Publication(s) : 2 ; conférence(s) : 1

Forage d’eau en milieu volcanique : apports des diagraphies géophysiques

1999

Conseil Général

de l’île de La Réunion

-

Coord. Pierre Andrieux et Marc Descloitres (Paris 6) Apport des diagraphies électriques, montage du programme. Publication(s) : - ; conférence(s) : -

« HydroFournaise » Les aquifères du Piton de la Fournaise (La Réunion)

1994-1997

Conseil Général

de l’île de la Réunion

-

Coord. Bernard Robineau et Jean Coudray (Univ La Réunion) Apport des sondages TDEM et des cartographies VLF à la détection de l’eau douce en milieu volcanique insulaire. Publication(s) 4 ; conférence(s) : 3

Les aquifères du volcan Fogo (Archipel du Capt-Vert)

1995

Mission de coopération Française

Archipel duCap-Vert

7000

Coord. Marc Descloitres Apport des sondages TDEM et influence des conductivités complexes (thèse) Publication(s) : 2 ; conférence(s) : 2

Indurations des mines de phosphate de Taïba

1992

Mines de Taïba Sénégal

5000

Coord. Marc Descloitres 3 méthodes de détection des indurations latéritiques Publication(s) : - ; conférence(s) : -

Tableau 4. Synthèse de ma participation à des programmes de recherche.


TRAVAUX DE RECHERCHE Introduction Certains pays du Sud sont confrontés à la rareté de leurs ressources en eaux de surface, particulièrement en zone semi-aride. D’autres, favorisés par une pluviométrie plus grande, voient pourtant le débit de leurs cours d’eau diminuer fortement depuis les dernières décennies (Descroix, 2009). Alors, pour l’alimentation en eau des populations rurales ou urbaines, ou pour des besoins d’irrigation, ils se tournent vers l’exploitation des eaux souterraines par puits ou par forages. La gestion durable de ces aquifères nécessite la quantification des ressources, la compréhension de leur renouvellement et de leur vulnérabilité et ce, dans un contexte d’urbanisation rapide et de risque de pollution agricole ou industrielle. Certains de ces pays du Sud sont aussi confrontés à des problèmes de dégradation ou d’appauvrissement des sols par l’érosion, la déforestation, le changement d’usage des terres. Ces phénomènes peuvent être amplifiés du fait des changements climatiques, et des pressions anthropiques ou agro-pastorales accrues. Dans ce contexte, mes activités de recherches ont pour objectif d’apporter des connaissances sur les aquifères et sur les processus de transferts d’eau dans le sous-sol au moyen des outils géophysiques. Ces activités se situent dans différents contextes géologiques et climatiques, et sont déclinées suivant trois axes thématiques :

i) La spatialisation des aquifères. En effet, il faut localiser les aquifères à partir de la surface et estimer du mieux possible la quantité et la qualité de l’eau en présence, avant de réaliser des forages.

ii) L’étude de la recharge des aquifères. Pour modéliser les impacts que pourraient avoir dans le futur les changements climatiques et anthropiques sur la ressource en eau souterraine, il faut construire des modèles conceptuels les plus précis possible. Pour cela, la question de la localisation des recharges doit être abordée. Mes recherches concernent surtout l’échelle locale (l’hectare, le petit bassin versant).

iii) La spatialisation de processus élémentaires de transfert de l’eau se produisant dans les premiers décimètres des sols, en zone non saturée. Ces processus sont généralement observés par des dispositifs localisés et la question de leur représentativité spatiale se pose.

Un quatrième axe, méthodologique, permet l’adaptation de certains outils géophysiques aux spécificités des aquifères et des processus hydrologiques étudiés. Ces recherches ont été menées sur les chantiers de l’IRD dans les pays du sud, en collaboration avec des hydrologues, hydrogéologues, hydrogéochimistes, pédologues ou modélisateurs des zones vadoses et saturées. Ces différentes disciplines ont besoin de la géophysique de sub-surface car elles ont une difficulté en commun : passer d’une observation localisée (l’échantillon, la parcelle, le forage) à la compréhension du fonctionnement d’une unité plus grande (aquifère, versant, bassin versant, couverture de sols, région), jugée comme pertinente pour les processus étudiés et les modèles qui en découlent. En utilisant la géophysique, on bénéficie de ses facultés à spatialiser et quantifier d’une manière non-destructive certaines propriétés physiques du sous-sol.


Ces études abordent nécessairement différentes échelles d'espace et de temps. Echelles spatiales, tout d’abord, puisque l’extension latérale des aquifères et les processus de recharge peuvent être très locaux (nappes perchées temporaires de quelques hectares, recharge indirecte localisée dans les axes drainants), ou régionaux (aquifère des grands bassins sédimentaires de plusieurs centaines de kilomètres carrés, recharges directes sur l’ensemble du paysage), et concerne des profondeurs allant de la surface à plusieurs dizaines de mètres de profondeur. Echelles temporelles ensuite, car pour comprendre les processus de sub-surface en zone non-saturée ou les flux dans les aquifères il faut s’intéresser à des échelles allant de l’évènement pluvieux de quelques heures à l’année hydrologique, voire interannuelles. Mon mémoire s’articulera autour de 4 chapitres principaux:

• Le premier décrira les questions scientifiques que j’ai abordées, en s’appuyant sur la description des principaux modèles conceptuels relatifs aux aquifères et aux processus.

• Le second présentera la démarche que j’ai suivie, décrira succinctement les principales méthodes géophysiques employées, et montrera leur mise en œuvre sur trois chantiers majeurs.

• Le troisième présentera les principaux résultats scientifiques obtenus pour les 3 axes thématiques (la spatialisation des aquifères, leur recharge, les processus élémentaires) et pour l’axe méthodologique. Pour cela je m’appuierai sur les publications, jointes en annexe 2.

• Le quatrième chapitre présentera les perspectives de recherche que je compte développer dans les prochaines années.

1. Questions scientifiques abordées Ce paragraphe décrit les principales questions scientifiques concernant la spatialisation des aquifères que j’ai étudiés, leurs modèles de recharge, et certains processus élémentaires en zone non-saturée. Pour les illustrer, je m’appuie sur des modèles conceptuels classiques de l’Afrique de l’Ouest. Ces questions restent similaires pour les autres chantiers que j’ai étudiés, notamment en Inde (aquifères de socle de la région de Mysore en climat soudanien) et en Bolivie (aquifère sédimentaire de l’Altiplano Bolivien en climat semi-aride). Ils suivent en général les mêmes schémas conceptuels. Leurs particularités sont décrites dans les publications. 1.1. Les aquifères de socle

Les aquifères de socle recouvrent une surface non négligeable en Afrique de l’Ouest (Figure 1). Les roches qui les contiennent regroupent l’ensemble des grandes familles géologiques : granites, gneiss, roches vertes, roches métamorphiques, d’âge précambrien en général. Sur cette figure, j’ai placé les sites que j’ai étudiés.


Figure 1. Répartition des zones aquifères de socle (couleur brune) et des bassins sédimentaires en Afrique de l’Ouest. Les cercles indiquent les sites étudiés. Pour les aquifères de socle, il s’agit des sites de Katchari au Burkina Faso (1), des environs de Ouagadougou, Burkina Faso (2), des environs de Djougou, Bénin (3). Pour les aquifères sédimentaires, il s’agit des sites des environs de Niamey, Niger (4), de la vallée de la rivière Komadougou Yobé, Lac Tchad, Niger (5), des zones côtières près de Dakar, Sénégal (6). La ligne pointillée sépare approximativement les zones climatiques semi-aride et sahéliennes (pluies < 750 mm/an) au nord, des zones soudanienne et guinéenne, au sud (pluies > 750 mm/an). Fond de carte d’après MacDonald and Davies (2000). a) Distribution verticale des propriétés hydrauliques Les ressources en eau en zone de socle sont modestes, en particulier en contexte aride ou semi-aride (Lachassagne et Wyns, doc. BRGM, 2005). Les schémas de distribution verticale des propriétés hydrauliques les plus simples représentent les aquifères de socle selon des colonnes de sol comme celles de la figure 2. L’altération chimique des roches crée un profil d’altération (le regolith) surmontant le bedrock (ou protolith). Selon le type de roche, sa texture (grosseur des grains,), sa structure (foliation par exemple) ou sa fracturation initiale, divers matériaux d’altération se mettent en place, allant d’une arène (sable grossier) à des argiles de néoformation. Les auteurs s’accordent à dire que la conductivité hydraulique de l’aquifère augmente en général avec la profondeur. Généralement plus il y aura d’argile, plus la conductivité hydraulique diminuera.

Figure 2. Schémas conceptuels simplifiés d’un aquifère de socle. A gauche, variations de la conductivité hydraulique et de la porosité cinématique avec la profondeur, selon Chilton et Foster (1995). Il ne s’agit pas d’une distribution immuable, et d’autres scénarios de distribution peuvent se rencontrer : Jones propose en effet un accroissement de la porosité de drainage (specific yield) avec la profondeur, à droite. D’après Jones (1985).


Ces auteurs soulignent aussi le rôle important que jouent les fractures situées au sein du protolith, qui conduisent le flux plus facilement. La conductivité hydraulique et l’épaisseur vont fixer le débit potentiel pour l’exploitation de l’aquifère. La porosité cinématique (effective porosity), qui aurait tendance à diminuer avec la profondeur selon certains auteurs, va constituer la partie mobilisable de l’eau par pompage. Le stock d’eau disponible est quantifié par la porosité de drainage (specific yield), généralement inférieure à la porosité cinématique. Selon d’autres auteurs, cette dernière pourrait au contraire augmenter avec la profondeur. C’est le réservoir de l’aquifère.

On voit que la distribution verticale des propriétés hydriques des regoliths n’est pas forcément généralisable et qu’il convient de les préciser si l’on veut en apprendre plus sur le fonctionnement de l’aquifère sous le site étudié. La connaissance du profil d’altération, dont l’épaisseur peut atteindre plusieurs dizaines de mètres en climat tropical, est fondamentale pour l’exploitation de l’aquifère : si le regolith est argileux, la porosité de drainage sera faible, sa conductivité hydraulique aussi, et les réserves d’eau mobilisable par pompage par conséquent limitées. Si la partie inférieure du profil est peu épaisse, la transmissivité de l’aquifère (produit de la conductivité hydraulique par l’épaisseur) sera faible et le forage peu productif. En géophysique, la caractérisation du profil d’altération par des mesures de surface, avant le forage, constitue un véritable défi. En général, les méthodes géophysiques voient leur résolution diminuer avec la profondeur. Les argiles, électriquement conductrices, jouent le rôle d’un écran, car elles confinent les circulations des courants électriques créées par nos appareils. Enfin, les fractures du protolith sont profondes, et constituent des objets très difficilement détectables avec précision à partir de la surface. Seules les zones de fractures suffisamment larges pour avoir favorisé l’approfondissement de l’altération argileuse (zone de faille ou de cisaillement par exemple) peuvent être détectées depuis la surface. b) Aquifères de socle sous climat sahélien Modèle conceptuel La situation décrite sur la figure 3 correspond aux zones sahéliennes (400 à 700 mm de pluie annuelle). Dans ces régions, l’évaporation potentielle est très importante (supérieure à 2000 mm/an). L’absence quasi-totale de végétation, et d’arbres en particulier, rend le terme de transpiration très faible. En zone de socle, le proche sous-sol est généralement plus argileux qu’en zone sédimentaire. Cette situation défavorise l’infiltration. De plus, la formation de croûtes de dessiccation en surface favorise les ruissellements lors de la saison des pluies. L’eau qui arrive à s’infiltrer avant peut être reprise par évaporation directe. Descroix et al (2009) montrent que ce sont les zones de socle et les ruissellements accrus depuis les dernières décennies qui sont responsables de la modification du régime du fleuve Niger, rendant le pic de crue à Niamey plus court et plus intense. Les zones de socle de la zone sahélienne forment ainsi une vaste région d’exoréisme, à opposer aux zones sédimentaires, endoréiques.


Figure 3. Schéma conceptuel des systèmes aquifères de socle en zone semi aride. Les rectangles délimités en pointillé correspondent aux zones clefs que j’ai étudiées au Burkina Faso. Questions scientifiques abordées En zone de socle, on considère qu’il n’y a pas de recharge directe des aquifères par infiltration généralisée sur l’ensemble du paysage. On admet généralement que les aquifères se rechargent de façon indirecte par les axes drainants et les mares de bas fond, mais ce schéma est cependant mal connu. Avec mes collègues hydrologues, nous avons abordé deux questions du cycle de l’eau :

Les ravines de versant participent-elles à la recharge des aquifères? En effet, si ce rôle a pu être mis en évidence en contexte sédimentaire à la même latitude au Niger (Peugeot et al., 1997) en raison de l’épaisseur importante des sols sableux, aucune étude n’a été menée sur les versants en zone de socle.

Comment se rechargent les aquifères dans les axes drainants (bas fond) ? Quelle est la géométrie de la recharge et sa dynamique temporelle?

A une échelle plus superficielle, on admet que l’eau qui ne ruisselle pas se stocke préférentiellement dans des couvertures peu épaisses de sable éolien. Nous nous sommes intéressés à évaluer les capacités de stockage hydrique de ces sols sableux, question que je détaillerai plus loin. c) Aquifères de socle sous climat soudanien à guinéen Modèle conceptuel La figure 4 décrit les processus dans une situation climatique plus humide (climat soudanien à guinéen, c'est-à-dire avec des pluviométries de 750 mm/an à plus de 1200 mm/an). Deux différences fondamentales avec les zones plus arides apparaissent : a) les nappes peuvent, suivant la saison, alimenter les cours d’eau, et b) la végétation joue un rôle majeur dans le cycle de l’eau. La transpiration est augmentée, les ruissellements diminués, et la recharge peut être directe (elle se produit sur l’ensemble du paysage). La recharge indirecte par les cours d’eau de bas fond peut se rencontrer, particulièrement dans les zones à saisons contrastées lorsque les drains coulent de façon intermittente (situation rencontrée en Inde et au Bénin sur les bassins versants des Observatoires Régionaux en Environnement (ORE)


« BVET » et « AMMA-Catch ». Le battement de la nappe peut être important (plusieurs mètres) selon la saison en régime de mousson, comme c’est le cas au Nord Bénin. En zone forestière, les variations interannuelles du niveau des nappes peuvent être déphasées par rapport à l’année en cours, par la transpiration de la végétation (Ruiz et al, 2009).

Figure 4. Schéma conceptuel des systèmes aquifères de socle en zone soudano-guinéenne. Les rectangles délimités en pointillé correspondent aux zones clefs que j’ai étudiées en Inde et au Bénin. Questions scientifiques abordées Le cycle de l’eau semble plus complexe dans ce contexte climatique : en effet, la nappe participe aux écoulements des rivières de façon sporadique, du moins sur les sites étudiés. Les déconvolutions des hydrogrammes de crues sont difficiles à réaliser, car plusieurs compartiments apportent leur contribution de façon déphasée. La reprise par la transpiration peut être considérable et affecter des épaisseurs importantes de zone non saturée. Mes collègues du LMTG se posent aussi la question du taux d’altération de ces roches sous climat tropical. Grâce à un couplage entre nos outils, nous avons abordé les questions suivantes :

Quelle est la géométrie de l’infiltration sous les axes drainants ? Quelle est l’épaisseur du régolith et le modelé du toit du bedrock ? Peut-on mieux quantifier les taux d’altération tropicale des roches cristallines ? Peut-on mettre en évidence la recharge directe à l’échelle d’un versant ? Quelle est la contribution de la nappe à l’évapotranspiration ? Quelle est la porosité de drainage du regolith ? dépend-t-elle du type de roche mère ?

1.2. Les aquifères sédimentaires en zone semi-aride

Les aquifères sédimentaires de l’Afrique de l’Ouest sont situés à plus haute latitude que les aquifères de socle (figure 1) au sein de formations sableuses, gréseuses, ou alluviales, d’âges tertiaire et quaternaire. Ces formations couvrent une surface importante des territoires du Sénégal, du Mali, de la Mauritanie et du Niger.


Modèle conceptuel

Les aquifères sédimentaires apparaissent plus simples, car leur géométrie peut être considérée généralement comme tabulaire. La nappe est dite « libre », et la géométrie de son toit est plus régulière. Sur la figure 5, je prends l’exemple de l’aquifère du continental terminal de la région de Niamey au Niger. Mais d’autres aquifères de ce type ont été étudiés (aquifère de l’altiplano bolivien, aquifère de la rivière Komadougou près du Lac Tchad au Niger). A l’échelle régionale, les études de Leduc et al (2001) font apparaître des remontées des niveaux des nappes suite à la période de sécheresse au Sahel. Ce paradoxe est expliqué par les changements intervenus en surface : augmentation du ruissellement, concentration des eaux dans les mares des points bas, dont le nombre augmente, et favorise ainsi un accroissement de la recharge indirecte. L’évaporation directe des sols est aussi favorisée par la disparition de la végétation, avec une diminution de la transpiration.

Figure 5. Illustration de la géométrie et du fonctionnement des systèmes aquifères sédimentaires en zone semi-aride : exemple de l’aquifère du continental terminal à l’est de Niamey, Niger. Les rectangles délimités en pointillé correspondent aux problématiques que j’ai abordées. Figure modifiée d‘après Massuel et al, conférence Geofcan (2003). Questions scientifiques abordées Les variations latérales éventuelles à l’échelle locale et régionale peuvent être étudiées avec un pas d’échantillonnage plus lâche. Pour le géophysicien, cette situation est favorable, car certaines méthodes se prêtent mieux à une approximation 1D.

Les études entreprises en géophysique à l’échelle régionale concernent des questions assez classiques, mais qui peuvent être revisitées grâce au développement des outils géophysiques dans la dernière décennie :


Quelle est la profondeur de la nappe ? Le mur de l’aquifère (généralement argileux), présente-t-il un modelé régulier ? Au Niger, pour mieux comprendre et quantifier la hausse des nappes, quelles sont les

variations régionales de la porosité de drainage de l’aquifère principal ? En Bolivie et au Lac Tchad, quelle est la répartition des formations sédimentaires

argileuses pouvant faire obstacle aux flux souterrains ? A l’échelle locale du bassin versant, les questions abordées concernent l’identification des processus du cycle de l’eau. S’il est communément admis que les mares temporaires constituent la zone de recharge principale, certains auteurs (Peugeot, 1997) suggèrent aussi le rôle possible des versants qui, à la faveur de zones d’épandage sableux, pourraient favoriser une recharge indirecte. Il est donc important de savoir si ces versants contribuent, ou non, à la recharge. Avec mes collègues hydrogéologues d’Hydrosciences Montpellier, nous nous sommes intéressés à cette question sur le bassin versant expérimental de Wankama au Niger (ORE « AMMA-Catch »). 1.3 . Les processus élémentaires à l’échelle de la parcelle ou de la séquence

de sols Modèle conceptuel La connaissance du cycle de l’eau commence souvent par documenter les processus localement. Ces processus élémentaires concernent la zone non-saturée (ZNS) à des petites échelles (parcelles, séquence de sols). Je prends ici l’exemple des micro-dunes sableuses du nord du Burkina Faso qui sont le support de la végétation herbacée naturelle (pâturage), ou des cultures ensemencées par l’homme (Ribolzi et al. 2006). Comprendre le cycle de l’eau au sein de ces objets fragiles, éléments incontournables de l’hydrologie sahélienne, a constitué un de nos objectifs au Burkina Faso. Sur la figure 6, nous voyons que ces micro-dunes sont stratifiées par l’effet des dépôts éoliens successifs. Elles présentent un bord abrupt, érodé par le vent, et un coté abrité où peut croître l’herbe en saison des pluies.

Figure 6. Les micro-dunes en zone semi-aride. A : paysage en saison sèche au nord du Burkina Faso : les micro-dunes sont entourées d’un pointillé blanc. B : le foisonnement de l’herbe sur les micro-dunes en saison des pluies. C : coupe d’une micro-dune montrant sa stratification, l’action érosive du vent, et les premières herbes, poussant sur le coté sous le vent. D : Schéma conceptuel supposé des transferts d’eau au sein des micro-dunes sous une pluie : le coté au vent produirait des écoulements d’eau nouvelle, alors que le coté sous le vent produirait des eaux mélangées. d‘après Descloitres et al, conférence EAGE, (2006).


Questions scientifiques abordées Pour l’hydrologue, les questions qui se posent concernent un micro cycle de l’eau, car il s’agit par exemple de déterminer les fractions d’eau libre et d’eau liée dans ce milieu poreux. S’il s’agit de déconvoluer un hydrogramme de crue, il faut faire la partition, dans le ruissellement, entre l’eau nouvelle de la pluie et l’eau plus ancienne ayant acquis des signatures géochimiques différentes. Sur la figure 6D, le schéma conceptuel de fonctionnement lors d’une pluie implique un rôle important de la micro-stratification. Ce schéma est cependant hypothétique et nous avons essayé de le préciser. Ces processus peuvent être appréhendés par l’implantation, dans le proche sous-sol, de capteurs intrusifs. Cette intrusion n’est pas forcément sans conséquence sur les processus étudiés et, comme l’étude des aquifères, les mesures ponctuelles nécessitent souvent une spatialisation. Nous avons tenté d’apporter des réponses par la géophysique aux questions suivantes :

Lors d’une pluie, quelle est l’influence des versants? l’eau pénètre-t-elle préférentiellement sur le coté herbeux?

La micro-stratification canalise-t-elle l’écoulement ? Est-il possible de visualiser au sein de la dune les eaux nouvelles des eaux anciennes,

piégées dans la dune lors des pluies précédentes ? Comment se répartit l’évaporation au sein de la dune et à quelle vitesse ?

D’autres expériences à cette échelle ont été menées, en Inde notamment, sur des séquences de sols. Elles concernent aussi la spatialisation des transferts d’eau en ZNS, et le fonctionnement des sols argileux lors des périodes de mousson.


2. Méthodologie 2.1. Approche générale Que ce soit en contexte sahélien ou soudanien, contribuer à répondre, avec la géophysique, aux questions précédentes nécessite des méthodes qui soient capables :

a) d’estimer les volumes d’eau stockés en géométrie complexe (2D, voire 3D), b) de spatialiser les propriétés hydriques du regolith (souvent liées à la teneur en argile), c) de localiser les lieux de recharge, en prospectant de vastes zones pour identifier des

recharges très localisées au sahel, aider à l’implantation des forages de reconnaissance, d) d’appréhender différentes échelles, de la microdune de quelques mètres carrés au

bassin versant de quelques kilomètres carrés, e) d’estimer la dynamique des processus autrement qu’en quelques points de mesure, à

différentes échelles temporelles, f) de fournir des paramètres clefs (géométriques ou propriétés hydriques notamment)

pour contribuer aux modélisations hydrologiques. Au cours de mes recherches, j’ai mis en œuvre une méthodologie s’appuyant sur : • Une description des sites d’étude en réalisant des spatialisations des paramètres

géophysiques, de manière à faciliter l’implantation de méthodes ou de capteurs donnant des résultats quantitatifs sur les processus étudiés.

• Une étude des variations temporelles de résistivité électrique et d’autres paramètres géophysiques pertinents, à des échelles variables, de la parcelle au versant et de l’évènement pluvieux à la saison hydrologique complète.

• Une utilisation couplée de méthodes géophysiques, avec une préférence marquée pour les méthodes de résistivité: tomographie de résistivité électrique (ERT), cartographie ou sondages électromagnétiques et plus récemment, Résonance Magnétique des Protons (RMP). D’autres paramètres géophysiques ont aussi été considérés plus ponctuellement : permittivité diélectrique (méthode radar), potentiels électriques (méthode de polarisation spontanée) notamment.

• Une recherche des relations entre paramètres géophysiques et variables d’intérêt pour l’hydrologue, généralement au cours d’expérience de terrain semi-contrôlées d’échelle réduite.

L’ensemble de ma démarche est schématisé sur la figure 7.


Figure 7. Schéma de la méthodologie suivie au cours de mes recherches. Depuis la conception de l’étude (en gris), la modélisation numérique (en jaune), les mesures de terrain (en vert), jusqu’à l’interprétation (en bleu). En général, je m’intéresse dans un premier temps à des mesures obtenues à partir de la surface. C’est l’approche classique du prospecteur géophysicien, qui relève de considérations pratiques : ces méthodes sont moins coûteuses que la réalisation de forages, même si les méthodes de surface subissent une perte de résolution avec la profondeur. Mais, afin de contrôler les résultats des méthodes de surface, j’ai utilisé dans un deuxième temps, quand c’était possible, des données obtenues en profondeur, mises en place spécifiquement pour les besoins des expérimentations (diagraphies en forage par exemple). Ces vérifications par des données extérieures indépendantes ont des conséquences majeures dans mes travaux car elles ont générées des travaux méthodologiques sur les inversions géophysiques, notamment en suivi temporel de résistivité par imagerie en 2 ou 3D. Lorsque des reconnaissances en forage profond n’étaient pas possibles, j’ai parfois entrepris la réalisation d’expériences de taille réduite, toujours sur le terrain, afin de faciliter les contrôles au sein du milieu. Un autre aspect méthodologique implique une approche classique d’aller-retour entre les résultats de terrain et modélisations numériques, ces dernières étant utilisées pour a) tester l’adéquation de la méthode géophysique avec la spatialisation des modèles conceptuels de fonctionnement des processus hydriques, b) évaluer les équivalences possibles des modèles géophysiques issus des inversions.


La plupart de mes travaux ont été entrepris à l’échelle du terrain, de quelques mètres à plusieurs kilomètres en surface, et jusqu’à environ 100 mètres de profondeur. En effet, établir des fonctions de transfert entre paramètres géophysiques et variable hydrologiques qui soient représentatives de l’échelle des phénomènes (ou au contraire montrer qu’elles sont trop complexes pour être utiles) réclame des expériences qui ne sont pas forcément reproductibles en laboratoire. Ma démarche comprend aussi l’acquisition d’informations clefs pour construire des modèles numériques géophysiques correctement renseignés, comme par exemple l’évaluation i) de la gamme de variation des paramètres, ii) des anisotropies éventuelles, iii) des effets de changements d’échelles, et enfin iv) des conditions de bruit électromagnétique relatives au site de mesure. 2.2. Principales méthodes géophysiques employées Les principes physiques des méthodes employées, les différentes configurations de mesure employées sur le terrain, et les procédures d’inversion sont décrits en détail dans les publications jointes en annexe 2 de ce document. Cependant, je reprends ici quelques éléments sur les méthodes de résistivité et de Résonance Magnétique des Protons (RMP), méthodes incontournables de l’hydrogéophysique. a) Méthodes de résistivité La résistivité d’un milieu quantifie sa capacité à s’opposer au passage d’un courant électrique. La résistivité d’un sol ou des formations géologiques dépend de facteurs très intéressants pour l’hydrogéophysique: porosité, teneur en eau, conductivité électrique de l’eau, tortuosité des pores, température, présence ou non de minéraux argileux. S’il n’y a pas d’argile, c’est la loi empirique d’Archie (Archie, 1942) qui décrit le mieux l’influence de ces différents facteurs. Les gammes de variations de la résistivité sont très étendues. En présence d’argile, la loi d’Archie n’est généralement pas applicable. En dehors de son intérêt évident dû à sa large gamme de variation selon la nature et l’état hydrique du sous-sol, l’emploi de la résistivité en hydrogéophysique est incontournable en raison de quatre avantages décisifs: • Toutes les échelles d’espace, de 10 cm à plurikilométriques, peuvent être abordées, à la

fois sous forme cartographique ou par la réalisation des tomographies du sous sol, sur une profondeur qui peut atteindre plusieurs dizaines de mètres,

• On peut prendre en compte, aux échelles citées précédemment, des géométries complexes 1, 2 et 3D,

• On peut adapter le rythme d’acquisition à des échelles de temps variant de la minute à l’année hydrologique,

• On peut mesurer la résistivité par induction électromagnétique, ce qui est d’un avantage considérable sur des sols secs, ce qui est souvent le cas en zone semi-aride.

Mais l’emploi de la résistivité présente un inconvénient majeur dû à sa dépendance aux multiples facteurs cités plus haut. La déconvolution du signal de résistivité est une tâche complexe étant donné le nombre important de paramètres entrant en jeu (sans même compter


l’hétérogénéité naturelle du sous-sol, les anisotropies éventuelles, ou les effets de changement d’échelle). Cet inconvénient est contourné, du moins partiellement, par deux approches utilisées dans ma démarche: les suivis temporels de résistivité, et le couplage avec la Résonance Magnétique de Protons.

En ce qui concerne les suivis temporels de résistivité en zone non saturée, on bénéficie d’un avantage : entre deux instants, les variations de la résistivité seront au premier degré uniquement dues à la variation de teneur en eau (si la conductivité électrique de l’eau d’imbibition ne change pas). De même, en zone saturée, les variations de résistivité dépendent au premier degré essentiellement des changements de la conductivité de l’eau. En suivi temporel de résistivité, on s’affranchit des variations spatiales et temporelles de facteurs restant invariants dans le sol : porosité, tortuosité, teneur en argile par exemple. Les variations de température restent à prendre en compte dans certains cas. Un suivi temporel de résistivité nécessite cependant une bonne résolution de ce paramètre : La figure 8 présente les résultats obtenus par Knight (1991). Dans la gamme de saturation 50 à 100%, les variations de résistivité restent faibles, particulièrement en phase de dessiccation (variations assez réduites de l’ordre de 10 à 25%). Le challenge pour le géophysicien est donc de pouvoir mesurer avec fiabilité de faibles variations de résistivité sur le terrain, de manière à espérer pouvoir les traduire en variations de saturation correspondantes.

Figure 8. Variations de la résistivité en fonction de la saturation pour des échantillons de grès. On note le comportement hystérétique de la résistivité selon la phase d’humectation (carrés) et de dessiccation (cercles), d’après les travaux de Knight (1991)

Hubbard et Rubin (2006) précisent que les imageries géophysiques en suivi temporel

diminuent la dépendance des mesures géophysiques aux variations géologiques statiques du milieu, ainsi qu’aux procédures d’inversion et artefacts associés. Si je suis d’accord avec le fait que le suivi temporel permet de s’affranchir par exemple des variations de porosité (pour la résistivité), je suis plus prudent en revanche sur les améliorations que le suivi temporel apporterait lors des inversions. On verra lors de la synthèse des résultats que l’étude de la variation de résistivité dans le temps présente des difficultés majeures (Descloitres et al., 2004, Descloitres et al., 2008). Celles-ci sont essentiellement dues à la non-unicité des modèles de résistivité et aux processus d’inversion qui sont la plupart du temps conduits avec des facteurs d’amortissement importants, comme le remarquent aussi Kemna et al. (2004).


b) La Résonance Magnétique des Protons (RMP) La méthode RMP est une méthode géophysique récente et non destructive de détection des aquifères. Elle se démarque des autres méthodes géophysiques qui analysent des anomalies de structure ou de paramètres physiques qui ne sont qu’indirectement liés à la présence d'eau. Le phénomène de résonance magnétique concerne les protons +H de la molécule d’eau H2O. Lorsqu’on détecte un signal de résonance, il y a de l’eau liquide dans le sous-sol. Son principe physique est présenté dans de nombreuses publications, Legchenko et al. (2002a et 2002b) ou Lubczynski et Roy (2003 et 2004). La RMP apporte des renseignements importants pour les aquifères complexes de socle (Vouillamoz et al, 2004, Wyns et al., 2004) ou pour les aquifères sédimentaires (Vouillamoz et al, 2008, Chalikakis et al, 2009). On réalise un sondage RMP en auscultant le terrain selon des profondeurs croissantes en augmentant l’intensité du courant. Avec l’appareillage existant actuellement, seules les formations saturées sont étudiées. Deux paramètres sont déduits des acquisitions: • L’amplitude initiale du signal, qui est proportionnelle au volume d’eau présent dans le sous-sol. Un signal d’amplitude importante témoignera d’un volume d’eau liquide important. Dans un milieu poreux saturé on parle de « teneur en eau RMP ». Seul le signal de l’eau dite « libre » contenue dans le milieu est mesuré. L’eau « liée » aux parois des grains de la matrice (liaison par les forces capillaires - si le milieu est désaturé- et eau adsorbée sur les parois des grains), produisent aussi un signal de résonance, mais il se manifeste avec des temps de relaxation trop courts pour être mesurés avec l’appareillage RMP de terrain. • La forme de la décroissance de l’enveloppe du signal, caractérisée par la constante de temps T2*, peut être affectée par les propriétés magnétiques des grains. Ces propriétés magnétiques n’étant pas connues facilement, on préfère analyser la constante de temps de relaxation longitudinale T1, calculée grâce à l’acquisition de 2 signaux de relaxation appelés FID 1 et FID2, résultants de l’injection de 2 pulses de courant successifs. T1 est caractéristique de la taille des pores : plus la valeur de T1est grande, plus les pores sont gros. Un aquifère constitué de sable très grossier ou de graviers sera ainsi caractérisé par des temps de décroissance T1 supérieurs à 400 millisecondes. Les formations argileuses ne produisent pas de signal détectable par l’équipement actuel. L’utilisation de la RMP dans mes travaux date de 2003, lorsque j’ai participé aux mesures RMP sur les aquifères de socle au Burkina Faso dans le cadre de la thèse de mon collègue J.M. Vouillamoz. En 2007, A. Legchenko et moi avons employé cette méthode sur des aquifères complexes en Inde sur le site de Moole Hole, où la RMP apporte une image convaincante des propriétés hydriques des aquifères de gneiss et amphibolite altérés. Le couplage avec les méthodes d’imagerie électrique est particulièrement fertile, comme on le verra dans la synthèse des résultats (Legchenko et al., 2007). Je réalise aussi sur ce site les premières expérimentations de suivi temporel RMP (Descloitres et al., 2008). Si je ne développe pas moi-même la méthode, je m’attache depuis 2006 à l’employer dans des contextes novateurs qui seront décrits dans la synthèse de mes travaux. Mes travaux méthodologiques se situent à l’aval des développements de la méthode RMP, dans l’inter-comparaison du signal RMP avec les autres méthodes sur des sites choisis.


c) Autres méthodes utilisées D’autres outils utiles aux études hydrogéophysiques ont été employés ponctuellement: • Le radar géologique, sensible au premier degré à la permittivité diélectrique des milieux

que traverse l’onde radar (et donc à la teneur en eau) a été employé sur les couvertures d’altération en 1995 (Descloitres et al., 1997, Geofcan), puis pour sonder les glaciers (Descloitres et al, 1999). Cette méthode s’est révélée également utile pour caractériser le toit de la nappe phréatique au sein de grandes dunes au Burkina Faso (Savadogo et al, conférence Geofcan, 2001), pour caractériser des stratifications au sein des micro dunes (Rejiba et al., conférence Geofcan, 2001), et enfin sur des filons de quartz aurifères au Sénégal (Lamy, 1995). J’ai finalement délaissé le radar au profit d’autres méthodes car la profondeur d’investigation était trop souvent limitée à quelques mètres sous la surface en raison du caractère très argileux des altérites tropicales, dont la faible résistivité (quelques ohm.m) atténue trop fortement les ondes radar.

• La polarisation spontanée a été testée afin de repérer les lieux de recharge sur les bassins versants au Burkina Faso et en Inde, avant et après des pluies intenses. Ces tests n’ont pas produit des résultats interprétables.

• Les méthodes de diagraphies nucléaires (neutron-neutron, gamma densimétrie) me permettent une comparaison des résultats, lorsqu’il est possible de forer des tubes d’accès dans le sol.

2.3. Exemples de mise en œuvre des méthodes géophysiques La majorité des études géophysiques que j’ai entreprises ont été réalisées sur trois bassins versants expérimentaux de l’IRD. Tous se situent en zone de socle : le bassin versant de Katchari, en zone sahélienne du Burkina Faso, celui de Moole Hole au Sud de l’Inde, et celui d’Ara au Nord du Bénin. D’une manière générale, j’ai privilégié les sites sur lesquels des validations des résultats géophysiques pouvaient être faites de façon indépendante avec d’autres méthodes. Sur ces bassins versants expérimentaux, la démarche d’implantation des méthodes géophysiques suit en général la logique suivante:

a) Réalisation d’une cartographie de résistivité à maille serrée, de quelques coupes de résistivité, d’une reconnaissance géologique détaillée, conduisant à l’identification des zones clefs où se posent les questions hydrologiques. Ces prospections sont réalisées généralement avant la saison des pluies et constituent un « état zéro » géophysique.

b) Sur les zones clefs, mise en place des dispositifs de suivi temporel (en général, des tomographies de résistivité).

c) Suivi temporel de résistivité à pas de temps approprié sur les zones clefs. d) Réalisation d’expériences semi–contrôlées in-situ, dédiées à l’établissement des

fonctions de transferts entre géophysique et hydrologie, ou au contrôle des interprétations géophysiques en profondeur (forages et diagraphies)

e) Mise en œuvre d’autres méthodes géophysiques complémentaires, RMP notamment.


a) Site de Katchari, Burkina Faso Le site de Katchari au nord du Burkina Faso (figure 9), est constitué de bassins versants emboîtés, de quelques hectares à plusieurs kilomètres carrés, permettant d’étudier les changements d’échelle des processus. Les états de surface sont représentatifs de toute la zone nord-sahélienne.

Figure 9 .Bassin versant de Katchari au Burkina Faso. Les fonds de carte correspondent aux valeurs des résistivités des sols et des altérites de socle granitique à différentes échelles de profondeur. Quatre opérations majeures sont représentées : 1 et 2 : La recherche des infiltrations sous une ravine de versant caractéristique, avec une approche cartographique en suivi temporel de la résistivité apparente (Descloitres et al, 2003), et en coupe au travers de la ravine (Clément et al, 2009). 3 : La dynamique des infiltrations dans une micro-dune sous pluie simulée par tomographie de résistivité électrique (Descloitres et al, 2008). 4 : La spatialisation de la recharge sous une mare de bas-fond par suivi temporel par tomographie de résistivité au travers de la mare. Ce site présente un avantage important pour la géophysique: les sols, très secs après quasiment six mois de saison sèche, se trouvent brusquement inondés par les ruissellements consécutifs aux premières pluies de la mousson africaine. Les variations de résistivité sont donc très importantes (plusieurs décades) et cela procure un avantage méthodologique : ce fort contraste génère une réponse géophysique très prononcée, propice à la spatialisation des processus d’infiltration et de recharge. Le corollaire à cette situation est de subir de fortes distorsions géométriques des lignes de courant dans le sous-sol pouvant générer des effets d’équivalence indésirables lors des inversions des sondages géophysiques.


b) Site de Moole Hole, Inde du Sud Le site expérimental instrumenté de Moole Hole en Inde (ORE « BVET ») est situé en zone tropicale humide, à régime de mousson (figure 10). Vierg

aquifères, recharges et transferts d’eau en zone non ... · 2.2 1992-1996: affectation au centre...

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