Hydwlogical Sciences-Journal-des Sciences Hydrologiques, 47(2) avril 2002 293

Données isotopiques ( Si7 Sr) et changements hydrologiques depuis 15 000 ans sur PAltiplano andin

ANNE COUDRAIN* HydroScienees, UMR CNRS - IRD - Université Montpellier II, Maison des Sciences de l'Eau, F-34000 Montpellier, France coudrain(çrmsem. univ-monlp2.fr

MICHEL LOUBET UMR Géochimie, CNRS Université Paul Sabotier, 3H Rue des Trente-six Ponts, F-3I400 Toulouse. France

THOMAS CONDOM, AMAL TALBI, PIERRE RIBSTEIN Sisyphe, UMR CNRS- Université Pierre et Marie Curie, Case 123, 4 Place Jussieu, F-75252 Paris cédex 5, France

BERNARD POUYAUD IRD, UR Great Ice, Rue La Fayette, F-754S0 Paris, France

JORGE QUINTANILLA Insiituio de Investigacion de Quimica, Universidad Mayor San Andrés, La Paz, Bolivie

CLAUDINE DIEULIN HvdroSciences, UMR CNRS - IRD - Université Montpellier II, Maison des Sciences de l'Eau, F"-340t)0 Montpellier, France

BERNARD DUPRE UMR Géochimie, CNRS Université Paul Sahatier, 3H Rue des Trente-six Ponts, F-31400 Toulouse, France

Résumé Actuellement, le bassin sud (17°~22°S, 126 000 km2) de l'Altiplano reçoit environ 39.4 x 109 m"' an"1 d'eau,dont 4% proviennent du bassin nord (14°-17°S) par le Rio Desaguadero. Le rapport 8'Sr/S6Sr des écoulements de surface actuels présentent des valeurs distinctes sur les deux bassins permettant d'utiliser ce traceur pour reconstituer des conditions hydrologiques passées contrastées du bassin sud. Pour la période aride de 10 000 à 2000 ans BP, les données acquises et la modélisation du transport de strontium dans un aquifère renforcent les hypothèses d'une valeur des précipitations de 80% de l'actuel et de l'absence d'alimentation significative du bassin sud par le Rio Desaguadero. Pour les hauts niveaux d'eau de la phase lacustre Tauca, vers 15 000 ans BP, les données hydrolpgiques et isotopiques indiquent que pour une alimentation totale estimée à 110 109 m' an"1 les apports du bassin nord pouvaient être limités à 5%.

Mots clefs bassin endoréique; isotopes du strontium; paléolac; aquifère

Isotopic data (87Sr/86Sr) and hydrological changes during the last 15 000 years on the Andean Altiplano Abstract At present, the southern basin of the Altiplano (17°-22°S, 126 000 km2) receives about 39.4 x 109 m ' year"' including 4% of surface runoff from the northern catchment (14°-17°S) via the Rio Desaguadero. The values of S7Sr/S6Sr of present

* Aussi à: Sisyphe, UMR CNRS - UPMC, Case 123, 4 Place Jussieu, F-75252 Paris eédex 5, France. ' Aussi à: IRD. UR Great lee. Rue La Fayette, Paris, France.

La discussion concernant cet article est ouverte jusqu 'au I octobre 21)02

294 Anne Coudrain et al.

surface flow are distinct for the two catchments. This tracer can thus be used for studying the past and contrasting hydrological conditions of the southern basin. For the arid" period from 10 000 to 2000 years BP, the acquired data and the transport modelling of soluble strontium in an aquifer confirm that the levels of precipitation were about 80% of the present amounts and that the inflow from the Desaguadero was insignificant. For the high levels of the palaeolake Tauca, around 15 000 years BP, the hydrological and isotopic data indicate that, for a total inflow estimated at 110 x 10 m' year" , the northern contribution might have been limited to 5%.

Key words endorcic catchment; strontium isotopes; palaeolake; aquifer

INTRODUCTION

Pour étudier les impacts des modifications du climat et de l'environnement, les hydrologues doivent étudier les transferts continentaux de l'eau dans les situations hydrologiques les plus variées possibles. Les situations ayant existé depuis le dernier maximum glaciaire sont beaucoup plus diversifiées que celles en cours depuis les dernières décennies pour lesquelles on dispose de données instrumentales. En par­ticulier les zones continentales tropicales ont connu des variations drastiques des conditions climatiques. Ces zones sont donc particulièrement intéressantes pour l'étude des relations entre hydrologie et climat (Gasse, 2001), à condition toutefois d'y disposer de données assez fiables. La durée de moins de vingt mille ans depuis le

70° Ouest | ] 67» Ouest

jEausteurfl" .

Océar Pacifîq

épique du Capricorne 23°26,S

Fig. 1 Localisation de la zone d'étude et reliefs d'Amérique du sud.

Données isotopiques (" Sr/^'Sr) et changements hydrologiques depuis 15 000 ans 295

dernier maximum glaciaire a l'avantage d'être relativement courte au regard de l'échelle géologique. Il est donc possible de considérer que la morphologie des bassins superficiels et souterrains n'a pas subi de changements importants sur de telles périodes. Ceci est particulièrement vrai pour l'Altiplano sur lequel porte la présente étude (Lavenu et al, 1984).

L'Altiplano andin est un bassin endoréique de 196 000 km2 de grande extension latitudinale de 14° à 23°S (Fig. 1). Ce bassin peut être considéré comme constitué de deux sous-bassins séparés par le détroit d'Ulloma (Fig. 2). Le bassin nord comprend le Lac Titicaca, pérenne depuis la fin du Pleistocene. Le bassin sud a pour point bas central, le salar d'Uyuni, qui est une croûte de sel témoin du dernier paléolac, nommé Tauca, dont le maximum du niveau d'eau est daté de 15 000 ans BP (Rouchy et al, 1996).

L'objectif du présent article est d'apporter des éléments sur la reconstitution des conditions hydrologiques du bassin sud depuis sa dernière grande phase lacustre sur la base de l'utilisation d'un traceur environnemental, le rapport isotopique 87Sr/86Sr. La composition en isotopes du strontium d'une solution dépend à la fois de la dissolution progressive de minéraux de la roche traversée (Bullen et al, 1996) et du mélange entre différentes composantes de l'écoulement à travers des roches à signatures isotopiques contrastées. De nombreuses études montrent que la valeur du rapport en isotopes du strontium d'un écoulement superficiel est utile pour reconstituer la part relative provenant de différentes parties du bassin à signatures isotopiques contrastées (Hooper et al, 1990; Yang et al, 1996; Negrel & Lachassagne, 2000). Dans la présente étude, le domaine d'application de ce traceur est étendu à de larges périodes passées.

Fonctionnement hydrologique actuel

Sur l'ensemble de l'Altiplano, la pluie annuelle diminue de 750 mm au nord à 300 mm au sud (Fig. 2(a)). La saison des pluies, qui s'étend entre décembre et avril, apporte environ 80% de la pluie annuelle et correspond aux apports de la mousson atlantique. L'évapotranspiration potentielle est de l'ordre de 1.6 m annuel (Pouyaud, 1993; Vachère/ al, 1994).

Le bassin sud d'une superficie de 126 000 km" a deux types d'alimentation en eau. L'une est l'écoulement superficiel depuis le bassin nord par le Rio Desaguadero au détroit d'Ulloma (Fig. 2), le flux souterrain par ce détroit étant négligeable. Avec des débits maximaux pouvant atteindre 500 m"' s"1 pendant quelques jours (Guyot et al, 1990), le module annuel est de 50 nr s"' (TDPS, 1993) soit de l'ordre de 1.6 x 109 nr1 an"'. L'autre alimentation correspond aux précipitations, soit de l'ordre de 37.8 x 109 nr1 an"1 (Fig. 3(a)). L'alimentation depuis le bassin nord ne contribue donc actuellement que pour 4%. A l'exclusion de très faibles infiltrations souterraines vers d'autres bassins comme ceux du Chili (Giggenbach, 1978), la sortie d'eau du bassin sud s'effectue par evaporation.

Le flux d'eau à Ulloma a schématiquement trois composantes. En saison humide, le débordement du Lac Titicaca et le Rio Mauri sont les deux principales. En période sèche, telle que celle de l'échantillonnage de 1996, le Rio Mauri et le drainage des écoulements souterrains de la partie entre le Lac Titicaca et le Rio Mauri sont les deux principales (TDPS, 1993). Dans les conditions climatiques actuelles, le Lac Titicaca a un niveau d'eau moyen de 3810 m et le module annuel d'écoulement vers le Rio Desaguadero est de 20 mJ s"1 (Roche et al, 1992).

296 Aime Condrain el al.

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Données isotopiques (' Sr/6Sr) et changements hydrologiques depuis 15 000 ans 297

1 E + 3 a) Eaux de l'Altiplano

22/\ Saumure " Coïpasa

1 E + 2 M À 3 9 —

2 4 A 4 I f

c) Bassin sud aquifère

alimentésJj It / pluiesf^ m 'aval salé

25 26

Echantillons eau (graphes a, b, c, d)

A eau surface, Bassin nord

# eau sout, Bassin Nord

A eau surface, Bassin Sud

aquifère Bas. Sud, alim. / pluies

aquifère Bas. Sud, alim. / Desaguadero

O aquifère Bas. Sud, aval salé

*r paleolac Tauca (reconstitué)

*•<* sens écoulement 1

0.1 1 10 1E+2 1E+3 1E+4 0.1 1 Cl (mmol/l)

Q 7 1 3 h) Eaux de l'Altiplano

0.709

0.707

0.710

1E+1 1E+2 1E+3 1E+4 Cl mmol/l

d) Bassin sud 0

aquifère

contaminé / dacite x̂ al imentés

_ , / p luies n

® -,o 25 °

12

, e) Roches

D

Paléobiohermes

Evaporites du Tertiaire

Halite des saîars

aval salé

1E-3 0.01 0.1 1/Sr (mmol/l)

0.708

1 1E-3

31

0.709

ît; rites i s ta

Bass in S u d

D Coïpasa 29 i

23

'yuni

0.707

1E-2 0.1 1/Sr (mmol/l)

7700 8100 7800 7900 8000 Latitude UTM (km)

Fig. 3 Données chimiques et isotopiques de la campagne d'échantillonnage de 1996: (a) et (c) composition chimique (Sr vs Cl) des échantillons d'eau; (b) et (d) rapport en isotopes du strontium vs 1/Sr des échantillons d'eau; et (e) rapport en isotopes du strontium vs latitude des échantillons de roche. Les labels des échantillons correspondent aux Tableaux 1 et 2.

Données isotopiques 87Sr/86Sr

Quarante-trois analyses du rapport 87Sr/86Sr ont été effectuées sur des échantillons collectés sur l'ensemble de l'Altiplano en 1996 (Figs 2(a) et 3, Tableaux 1 et 2). Les analyses ont été effectuées sur un spectromètre de masse Finnigan MAT 261 (valeur moyenne du standard NBS 987, 0.71022 ± 0.00001) avec une séparation chimique préalable du strontium sur résine cationique (Temex 50WX8).

Dans les roches, le rapport isotopique du strontium (87Sr/ 6Sr) est compris entre 0.705 et 0.730 (e.g. Bierman et al, 1998). Les plus faibles valeurs correspondent aux roches magmatiques ou volcaniques basiques et andésitiques, et les plus fortes valeurs aux roches de la croûte terrestre. Dans le bassin nord de l'Altiplano, les roches magmatiques volcaniques basiques et andésitiques sont abondantes et présentent pour ces latitudes (16°-18°S) des rapports isotopiques en strontium compris entre 0.7054 et 0.7080 (Wilson, 1989). Dans le bassin sud, les ignimbrites, roches volcaniques acides pouvant comprendre une forte proportion de croûte terrestre, et les roches sédimentaires sont plus abondantes que dans le bassin nord (Marsh et ai, 1992).

Les mesures effectuées sur des échantillons d'eau de surface choisis pour leur valeur integrative, en ce sens qu'ils sont à l'aval de grandes surfaces d'écoulement, sont en bon accord avec la répartition géographique des roches (Fig. 3(b)). Les

298 Anne Coudrain et al

Tableau 1 Echantillons d'eau collectés en surface ou à partir de puits fermés munis de pompes. Coordonnées UTM.

Nature

Bassin nord: Surface Surface Surface Surface

Surface Souterrain Souterrain Bassin sud: Surface

Surface Surface Surface Surface Surface Souterrain Souterrain Souterrain Souterrain Souterrain Souterrain Souterrain Souterrain Souterrain Souterrain Souterrain Souterrain Souterrain Souterrain Souterrain Souterrain Souterrain

Num

54 53 2 8

5 4 7

9

22 24 36 35 39 28 17 27 16 26 14 15 13 19 25 51 50 49 20 11 31 12

Nom

Lac Titicaca Mayor Lac Titicaca Minor Source Achacana Rio Desaguadero à l'amont du Mauri Rio Mauri Puits Achiri Puits au bord du Rio Mauri

Rio Desaguadero à Eucaliptus Rio lima Pallka Rio Chuquichambi Canal Laça Jahuira Canal sud du Poopo Saumure Coipasa Puits Colque Amaya Puits San Miguel Puits Santa Anna Puits Unupata Union Puits Thola Pampa Puits Circa Grande Puits Unupata Victor Puits Circa Cruzani Puits San José Puits Jalsuri Puits San Felipe 18m Puits San Felipe 25m Puits dans dôme de dacite Puits Papel Pampa Puits Whilla Khara Puits Huallchapi Puits Solito

Long. (km)

485 525 505 541

537 501 541

658

629 626 644 707 598 629 646 626 642 610 645 636 646 632 617 646 646 664 630 647 675 646

Lat. (km)

8215 8215 8130 8094

8087 8097 8086

8054

8025 8018 7889 7878 7839 8057 8055 8054 8045 8044 8043 8042 8041 8040 8039 8037 8037 8031 8030 8027 8024 8021

87Sr/86Sr

0.70834 0.70835 0.70893 0.70893

0.70743 0.70800 0.70834

0.70878

0.71011 0.71008 0.71240 0.71007 0.70917 0.70913 0.70897 0.70903 0.70919 0.71056 0.70916 0.70929 0.70917 0.71061 0.71081 0.70954 0.70951 0.71926 0.71040 0.71092 0.71032 0.70989

Sr (mmol F1

18.6 16.8 77.2 33.9

7.1 7.5 7.7

15.5

188.3 21.0 22.3 25.8 95.0 12.1 18.0 10.3 28.5 3.8

46.0 24.0 32.2 12.6 5.9

138.7 106.4 519.3

9.7 81.9 2.2 8.9

Cl ) (mmol F1)

6.8 7.4 0.6

11.7

11.5 0.5 4.5

15.2

125.2 8.2

37.7 33.9

2613.3 8.1

20.7 10.8 28.2

0.2 36.3 24.8 39.9

3.0 0.3

94.3 87.9

1813.6 1.6

151.3 0.9 9.3

échantillons du bassin nord ont des valeurs de 87Sr/86Sr comprises entre 0.7074 (éch. 5) et 0.7089 (éch. 2 et 8). Les échantillons du bassin sud ont des valeurs comprises entre 0.7101 (éch. 22) et 0.7124 (éch. 36).

L'échantillonnage de 17 puits fermés d'un aquifère phréatique situé au nord du bassin sud et présentant des écoulements lents permet d'étudier les conditions hydrologiques des derniers 11 000 ans sur la base de la variation spatiale de la composition isotopique en strontium (Fig. 3(c) et (d)).

Les échantillons d'évaporites tertiaires, de croûtes de sels des salars et de paléobiohermes qui sont des constructions calcaires témoins des niveaux lacustres (Fig. 3(e), Tableau 2) constituent la base de l'étude des conditions hydrologiques prévalant pendant la phase Tauca ( 15 000 ans BP).

Données isotopiques ( Sr/Sr) et changements hydrologiques depuis 15 000 ans 299

Tableau 2 Echantillons de roche. Coordonnées U T M

Nature

Gypse Halite

Gypse Halite Halite Paléobioh. Paléobioh. Paléobioh. Paléobioh. Paléobioh. Paléobioh. Paléobioh. Paléobioh.

Num.

6 55

23 38 44 29 37 40a 40b 45 43e 43c 43a

Nom

Calacoto Tarcamaya

Chuquichambi Coipasa Uyuni Estantaque Challacota Coïpasa Coïpasa Churaki Tahua haut Tahua moyen Tahua bas

Long. (km)*

535 547

626 598 647 669 630 598 598 650 633 633 633

Lat. (km)

8085 8069

8020 7839 7790 8027 7860 7839 7839 7805 7800 7800 7798

87Sr/86Sr

0.70938 0.70953

0.70840 0.70921 0.70834 0.70878 0.70856 0.70855 0.70857 0.70879 0.70872 0.70871 0.70849

Caractérisation isotopique de l'alimentation actuelle du bassin sud par le Rio Desaguadero

Les valeurs en 87Sr/86Sr obtenues en saison sèche sur les différents tributaires du Rio Desaguadero à l'amont d'Ulloma permettent de caractériser en isotopes du strontium cette alimentation du bassin sud tant en saison sèche qu'en période de crue.

En saison sèche, on peut attribuer la valeur de 0.70878 de l'échantillon 9 collecté à une cinquantaine de kilomètres à l'aval d'Ulloma au Rio Desaguadero à son entrée dans le bassin sud. En effet, il a été montré qu'au-delà d'Ulloma les écoulements sont essentiellement dans le sens de la rivière vers l'aquifère (Coudrain et al, 2001), ce qui n'affecte donc pas la composition chimique et isotopique du Rio. De plus cette valeur est proche de la moyenne 0.70867 calculée entre l'échantillon correspondant au drainage des écoulements souterrains (éch. 8; 0.70893 et 33.9 mmol F1 de strontium) et l'échantillon du Rio Mauri (éch. 5; 0.70743 et 7.1 mmol F1).

En période de crue, les deux principaux tributaires du Rio Desaguadero à Ulloma sont, à parts environ égales, le débordement du Lac Titicaca et le Rio Mauri. Les rios vers le Lac Titicaca ont des valeurs comprises entre 0.7069 et 0.7205 (Grove et ai, 1997) ce qui reflète la diversité des roches affleurantes. Cependant l'importance du volume d'eau du lac (903 x 109 m') et l'homogénéité spatiale et temporelle d'autres caractéristiques de l'eau du lac comme les isotopes de l'eau, la composition chimique et la température (Fontes et ai, 1979; Wirrmann, 1992; Pouyaud, 1993) permettent de considérer que le rapport en isotopes du strontium du lac (éch. 53 et 54; 0.7083) est constant dans les conditions climatiques actuelles. La faible variation des concentrations en éléments majeurs au cours d'un cycle hydrologique (Quintanilla et ai, 1993) du Rio Mauri permet de supposer que son rapport en isotopes du strontium (éch. 5; 0.7074) est constant sur l'année. La moyenne entre l'échantillon correspondant au Lac Titicaca (éch. 53 et 54; 0.7083 et 17.6 mmol F1) et celui du Rio Mauri (éch. 5; 0.70743 et 7.1 mmol F1) est de 0.7080.

D'après les résultats de la campagne de 1996, le bassin nord alimente le bassin sud avec une valeur en Si*/1 'Sr comprise entre de 0.70878 en saison sèche et environ 0.7080 en période de crue.

300 Anne Coudrain et al.

Alimentation du bassin sud pendant l'Holocène aride

Pendant l'Holocène moyen, le niveau du Lac Titicaca a été entre 50 et 100 m (Mourguiart et al, 1997; Cross et al, 2000), plus bas qu'actuellement (Fig. 2(b)). En tenant compte de l'évaporation sur les sols et sur le lac sur l'ensemble du bassin du Lac Titicaca, l'estimation de la pluie pour cette période est de 80% de l'actuel (Talbi et al, 1999). En limitant l'analyse du bilan à celui du lac, elle est de 60% (Cross et al, 2001). Alors que le débordement du Lac Titicaca était impossible, l'écoulement dans le Rio Mauri aurait perduré d'après l'étude des sédiments du Rio Desaguadero (Baucom & Rigsby, 1999). L'importance de cette source potentielle d'alimentation du bassin sud via le Rio Desaguadero pendant cette période aride peut être étudiée sur la base de la composition chimique et isotopique de l'eau souterraine de l'aquifère situé dans la partie amont du bassin sud.

Cet aquifère a fait l'objet d'une étude hydrogéologique sur une zone de 3500 km" (Coudrain et al, 2001) qui montre qu'actuellement l'infiltration annuelle d'eau du Rio Desaguadero est de l'ordre de 18.4 x 106 mJ et que celle des ruissellements tempor­aires, en saison des pluies, sur les piedmonts sud-ouest et nord de l'aquifère est de l'ordre de 23.7 x 106 m3 (Fig. 4(a) et (b)).

Les puits situés à moins de 10 km du Rio Desaguadero (éch. 17, 27, 28, Figs 2(a) et 3(d)) présentent des valeurs comprises entre 0.7089 et 0.7091. D'après ces valeurs,

600 620 H4 660

Fig. 4 Résultats des simulations sur 11 000 ans du transport de strontium en solution dans l'aquifère: (a), (b) et (c) concentration calculée à l'actuel respectivement pour chacune des trois origines du strontium (Rio Desaguadero, piedmonts et paléolac Tauca ayant recouvert l'aquifère de 15 000 à 11 000 ans environ); et (d) isovaleurs calculées avec l'équation (1) donnée dans le texte, les puits où les analyses sont disponibles sont indiqués par leur label (cf. Tableau 1).

Données isotopiques f Sr/^'Sr) et changements hydrologiques depuis 15 000 ans 301

les périodes d'étiages, pendant lesquelles on a observé une valeur de 0.70878 dans le rio, et non les périodes de crues, pour lesquelles la valeur reconstituée serait de 0.7080, apportent l'essentiel de l'alimentation de l'aquifère par le Rio Desaguadero. Les puits situés à moins de 10 km des piedmonts (éch. 19, 20, 25, 26, 31) présentent des valeurs (0.7098-0.7108) proches de celles des rios drainant ce relief (éch. 22, 24). Les temps de transfert simulés sur 10 km étant de l'ordre de 2000 ans (Talbi, 2001), ces observa­tions confirment que les conditions hydrologiques actuelles existent depuis cette période, comme cela a été montré par l'étude des sédiments du lac ou du Desaguadero (Abbott et al, 1997a; Baucom & Rigsby, 1999).

A l'aval de l'aquifère, les lignes de courant convergent vers une zone où l'eau présente actuellement se serait infiltrée dans l'aquifère il y a plus de 6000 ans d'après les temps de transfert simulés et les mesures d'activité du 14C de l'eau (Coudrain et al., 2000). Un des échantillons de cette zone (éch. 11; Fig. 3(d)) peut être considéré comme un mélange entre l'eau de l'aquifère et de la saumure provenant d'un dôme dacitique situé à 1 km à l'amont du puits. La saumure d'un dôme similaire a été analysée (éch. 49) et montre de fortes valeurs du rapport isotopique en strontium (0.719). Les autres échantillons (12, 13, 14, 15, 16, 50, 51) provenant de la zone aval de l'aquifère ont un rapport en isotopes du strontium intermédiaire (0.70916-0.70989) entre ceux des deux types d'alimentation. Par contre, leurs concentrations tant en chlorure (25-94 mmol F1) qu'en strontium (24-139 mol F1) sont supérieures à celles des alimentations (maximum 20 mmol F1, Fig. 4(c)). Pour rendre compte de cet enrichissement, il faut tenir compte de l'évolution des conditions hydrologiques sur les 11 000 dernières années.

Un scénario ayant été établi pour l'acquisition de la concentration en chlorure et de l'âge de l'eau souterraine (Coudrain et al, 2001), il est ici testé pour les concentrations et le rapport isotopique en strontium.

Les conditions initiales correspondent au moment du retrait du paléolac Tauca. Lorsque son niveau d'eau atteignait 3760 m (Servant et al, 1995; Rouchy et al, 1996; Sylvestre et al, 1999), il recouvrait plus des deux tiers de la surface considérée (Fig. 4(c)). La concentration en chlorure du paléolac reconstituée par des bilans en sels sur les salars (Risacher & Fritz, 1991) aurait été de 400 mmol F1. La diffusion vers l'aquifère sous-jacent aurait permis d'atteindre des concentrations de l'ordre de 200 mmol F1 dans l'eau souterraine (Talbi, 2001). En supposant que les concentrations en strontium sont du même ordre que celles en chlorure, conformément à de nombreux échantillons (Fig. 3(a) et (c)), la simulation en strontium utilise une condition initiale avec une concentration dans l'eau souterraine de 228 mmol F1 dans la zone ayant été couverte par le paléolac. La valeur en isotopes du strontium de 0.7085 de cette condition initiale a été prise égale à la valeur moyenne des paléobiohermes (Tableau 2, Fig. 3(e)) en considérant que ces formations calcaires ont la même composition isotopique que l'eau à partir de laquelle elles ont précipité. Cette propriété est abondamment utilisée en milieu marin (Faure, 1986).

Dans le Rio Desaguadero, la concentration prise en compte dans les simulations est de 17.1 mmol F1 et la valeur du rapport isotopique est de 0.709 en accord avec les données des puits (Fig. 4(a)). Le total de cette infiltration est de 18.4 x 106 nr1 an"1 de 11 000 à 10 000 ans puis de 2000 ans BP à l'actuel. Pour la période Holocène aride de 10 000 à 2000 ans BP (Mourguiart et al, 1997; Abbott et al, 1997b), différentes simulations ont été effectuées en supposant que l'écoulement était ou non maintenu.

302 Anne Coiidmin et al.

Dans le cas où l'écoulement est maintenu, les vitesses moyennes de l'eau souterraine sont importantes et le nuage d'eau salée et d'âge supérieur à 6000 ans est repoussé trop à l'aval par rapport aux données observées (Talbi, 2001). Les résultats des simulations présentées (Fig. 4) correspondent donc au cas où le Rio Desaguadero est supposé sec entre 10 000 et 2000 ans BP.

La concentration en strontium de l'alimentation par infiltration dans les piedmonts a été supposée égale à 5.7 mmol 1" avec un rapport isotopique de 0.7105 selon les valeurs mesurées sur les quatre puits situés près de cette zone d'alimentation (Figs 3(c), (d) et 4(b)). Cette infiltration est supposée avoir varié de 23.7 x 106 m pour les périodes plus humides (11 000-10 000 et 2000-0 ans BP), à 19 x 106 m3 an'1

pendant la période la plus aride de l'Holocène (8000-4000 ans BP). Cette diminution correspond à la reconstitution des pluies sur cette période qui serait de 80% de l'actuel.

Pour obtenir le champ du rapport isotopique en strontium de l'eau souterraine à l'heure actuelle, trois simulations ont été menées en parallèle, une pour chacune des origines de strontium. Lorsque le niveau d'eau est à moins de 20 m sous la surface du sol, le scénario considère un flux depuis l'aquifère vers la surface du sol où l'eau est évaporée. Ce processus, qui est observé dans les régions arides, est à l'origine d'une accumulation de sels dans la zone non saturée (Coudrain-Ribstein et al, 1998). Au retour des conditions humides (2000 ans BP), le chlorure, comme le strontium précédemment stockés, retournent vers l'aquifère provoquant des concentrations plus élevées que celles des entrées (Fig. 4(a) et (b)).

Le rapport isotopique est calculé en chaque point de l'aquifère (Fig. 4(d)) selon la formule suivante:

RK=- (1) C,

où G est la concentration en strontium dans l'eau souterraine, qui est égale à la somme des concentrations de chacune des trois origines (Ci), et Rs et Ri sont les rapports isotopiques dans l'eau souterraine et dans chacune des origines.

Du bon accord des résultats simulés avec les observations deux conclusions peuvent être formulées. La première conclusion est qu'à ce stade de connaissance, l'alimentation de l'aquifère entre 10 000 et 2000 ans BP par le Rio Desaguadero n'a pas atteint des seuils détectables. La deuxième conclusion est que la concentration en strontium est acquise par interaction eau-roche avant l'infiltration et qu'ensuite, dans l'aquifère de sédiments fluvio-lacustres, cette concentration et le rapport isotopique en strontium ne sont modifiés que par des phénomènes physiques de mélange.

Alimentation du paléolac Tauca

Une grande part du bassin sud a été couverte par le paléolac Tauca entre 16 000 et 12 000 ans BP (Rouchy et al, 1996; Abbott et al, 1997b; Sylvestre et al, 1999). Les témoins visibles de ce paléolac sont les croûtes de sel des salars d'Uyuni et de Coïpasa (Risacher & Fritz, 1991) et les paléobiohermes (Servant et al, 1995) qui ont atteint une altitude de 3760 m. Le paléolac a eu des profondeurs de plus de 100 m d'eau. Sa surface maximale, de 53 000 km", calculée en utilisant le modèle numérique de terrain

Données isotopiques C Sr/'Sr) et changements hydrologiques depuis 15 000 ans 303

modifié GTOPO30 (http://edcdaac.usgs.gov/gtopo30/gtopo30.htrnl) est compatible avec de précédents travaux basés sur des numérisations de cartes topographiques (Blodgette/a/., 1996).

Pour expliquer la présence d'un paléolac couvrant près de la moitié du bassin sud, il faut considérer des conditions hydrologiques différentes de celles d'aujourd'hui: des apports plus importants par le Rio Desaguadero et/ou une augmentation des précipitations locales (Hastenrath & Kutzbach, 1985) et/ou une diminution de l'évaporation potentielle (Blodgett et al, 1996). Il existe donc une indétermination pour reconstituer le bilan hydrologique du bassin sud à l'époque du paléolac.

Les compositions de huit échantillons de paléobiohermes recueillis (Tableau 2, Fig. 3(e)) sont comprises entre 0.70849 (éch. 43a) et 0.70879 (éch. 45). Ces valeurs sont en accord avec celles présentées par d'autres auteurs (Grove et al, 1998) qui indiquent des âges l4C de la période Tauca. Les biohermes recueillis par nos soins sont réputés être de cette époque. En particulier le point le plus élevé (éch. 43e) a été prélevé à 3756 m comme celui daté de 15 070 BP par les méthodes Uranium Thorium et l4C(Rouchye?a/., 1996).

Les valeurs obtenues sur les paléobiohermes étant proches de celles du Lac Titicaca (Fig. 3(a) et (e)), certains auteurs associent le développement du Lac Tauca à des apports massifs provenant du Lac Titicaca (Grove et al, 1998). Ce lien de cause à effet paraît peu vraisemblable tant d'un point de vue hydrologique que géochimique.

Le bilan annuel en eau du bassin sud est:

Ei. x SL + E,XS, = RN + Ps x (SL + S,) (2)

où EL est l'évaporation à partir du lac, dont la surface est Se, E, est l'évaporation à partir des terres émergées, dont la surface est S,; RK est le ruissellement annuel provenant du bassin nord; Ps est la pluie moyenne sur le bassin sud, dont la surface totale (SL + S,) est 126 000 km". Actuellement, l'évaporation à partir d'une surface d'eau libre est de 1.6 m an"1 sur l'ensemble de l'altiplano et l'évaporation à partir des sols est de 0.6 m an"1 dans le bassin nord (selon synthèse dans Talbi et al, 1999). Pour les hauts niveaux du lac, l'évaporation totale depuis le bassin sud serait de 130 x 109 mJ an"' avec ces valeurs d'évaporation actuelle, ou de 93 x 109 mJ an"1 avec des valeurs plus faibles correspondant à des conditions moins arides (1.2 m an"1 pour la surface d'eau et 0.4 m an"1 pour les sols).

Dès lors, si la pluie du bassin sud était identique à la pluie actuelle, pour équilibrer les sorties par evaporation, le débit moyen annuel du Desaguadero à Ulloma devrait être de 1700 à 2500 mJ s"1. Alors que les débits journaliers maximaux ne dépassent pas 500 nr' s"1 à Ulloma, de tels débits moyens annuels avancés pour la période lacustre sont peu vraisemblables. De plus, il est difficile d'envisager que la pluie ait été modifiée sur le bassin nord au point de multiplier par 50 le débit à Ulloma et que la pluie restât inchangée sur le bassin sud. D'un point de vue hydrologique, l'hypothèse selon laquelle le paléolac aurait été essentiellement alimenté par débordement du Lac Titicaca n'est donc pas vraisemblable.

La deuxième raison pour réfuter le lien de cause à effet entre la composition isotopique des paléobiohermes et celle du Lac Titicaca est géochimique. Pendant une phase climatique humide, l'apport par ruissellement depuis le bassin nord aurait une signature isotopique de 0.7080 intermédiaire entre celles du Lac Titicaca et du Rio Mauri et donc plus faible que celle mesurée sur les paléobiohermes (0.7085). De plus,

304 Anne Coudrain et al.

la composition du paléolac ne reflète pas seulement celle de ses tributaires mais aussi celle de l'important stock de sels disponibles, préalablement à sa mise en place, sur les sols du bassin sud et dont l'origine est en partie la dissolution d'évaporites tertiaires (Risacher & Fritz, 1991, 2000). Le fonctionnement hydrologique du paléolac ne peut donc pas être déduit de sa composition chimique ou isotopique moyenne.

L'évolution de la composition isotopique du lac en fonction de différents niveaux d'eau apporte par contre une information interprétable en termes de fonctionnement hydrologique du paléolac Tauca. Trois paléobiohermes (éch. 43a, 43c et 43e) échantill­onnés en un même lieu présentent des valeurs de 87Sr/86Sr croissantes de 0.70849 à 0.70872 pour des altitudes croissantes de 3674 à 3756 m (Tableau 2, Fig. 3(e)). Ces données peuvent être interprétées comme une augmentation de la proportion des apports du sud pour les hauts niveaux d'eau.

En reprenant le calcul de bilan en eau du bassin sud, une solution vraisemblable pour l'alimentation du paléolac dans les conditions de haut niveau d'eau serait par exemple: une pluie de l'ordre de 700 mm an"1 en moyenne sur le bassin sud et un débit de 145 nr' s"1 par le Rio Desaguadero à Ulloma (Fig. 2(c)). Le débit de débordement du Lac Titicaca, de l'ordre de la moitié de celui d'Ulloma, serait donc d'environ 3.5 fois le débit actuel. D'après des simulations pluie-débits de débordement du Lac Titicaca, un tel débit correspondrait à une pluie supérieure de l'ordre de 10% à la pluie actuelle sur le bassin nord (Cross et al, 2001). Cette alimentation totale du bassin nord, de 92.8 xlO9 nr' an" , pourrait être évaporée avec 1.2 m an"1 sur la surface d'eau libre et 0.4 m an"1 sur les sols. Dans cet exemple, la proportion d'apport du bassin nord n'est que de 5%, et la pluie sur le bassin sud serait de l'ordre de 2.3 fois la valeur actuelle. La phase lacustre pourrait donc correspondre à des conditions climatiques où la pluviométrie serait sur l'ensemble de l'Altiplano du même ordre que celle existant actuellement sur le bassin nord.

CONCLUSION

L'intérêt d'étudier des périodes de plusieurs milliers d'années est de pouvoir caractériser les réponses hydrologiques à des modifications importantes du climat et pour lesquelles on ne dispose pas de données instrumentales. L'étude des indicateurs géochimiques tels que ceux présentés dans cette étude est un des volets de la quantification des flux d'eau non observés vers laquelle converge aussi celle du développement de modèles de bassins non jaugés (Takeuchi et al, 1999) ou celle de la cartographie de l'aptitude au ruissellement (Estèves & Rajot, 1999). Vu la période d'étude, l'objectif est d'apporter non des conclusions irréfutables à ce stade de l'avancement des connaissances, mais plutôt d'avancer des arguments chimiques et physiques susceptibles de corroborer des hypothèses sur les variations des régimes hydrologiques.

L'analyse d'une cinquantaine d'échantillons répartis sur l'Altiplano montre que les compositions isotopiques en strontium constituent un traceur intéressant des conditions hydrologiques passées de ce bassin en les associant à des approches d'hydrologie quantitative. Pour la zone d'étude, il peut être conclu à ce stade d'avancement de la connaissance que: - le bassin sud n'a pas reçu d'alimentation significative depuis le bassin nord

pendant l'Holocène aride;

Données isotopiques ( Srf 'Sr) et changements hydrologiques depuis 15 000 ans 305

- la dernière phase lacustre majeure du bassin sud pourrait correspondre à des conditions climatiques beaucoup moins contrastées entre les deux bassins que les conditions actuelles, c'est-à-dire à une extension vers le sud des flux d'humidité qui sont prépondérant actuellement sur la zone nord et/ou des apports supplémentaires venant du sud.

Remerciements Ce travail a reçu un soutien financier du Programme National de Recherche en Hydrologie. Les auteurs remercient Cesar Salinas pour son aide pendant la mission.

REFERENCES

changes in lake THicaca. Bolivia/Peru. Ouatern. Res. 47. 169-180. Abbott, M. B., Seltzer, G. (>., Kelts, K. R. & Southern, J. ( 1997b) 1 lolocene paleohvdrologv of the tropical Andes from lake

records. Ouatern Res. 47, 70-80. Baneom, P. C. & Rigsby, C. A. (1999) Climate and lake-level history of the northern Altiplano, Bolivia, as recorded in

I lolocene sediments of the Rio Desaguadero../. Sedim. Res. 69, 597-61 I. Bierman, P. R., Albrechl, A., Bothner, M. H., Brown, E. T., Bullen, T. [)., Gray, L. B. & Turpin, L. (1998) Erosion,

weathering, and sedimentation. In: Isotope Traeers in Catchment Hydrology (ed. by C. Kendall & .1. J. McDonnell), 647 678, Elsevier, Amsterdam, The Netherlands.

Blodgett, T. A., I.enters, .1. 0, & Isaeks, B. (1996) Constraints on the origin of paleolake expansions in the central Andes: results from GIS and evaporation model analysis. Earth Interaetions 1.

Bullen, T. D., Krabbenhoft, D. P. & Kendall, C. (1996) Kinetic and minéralogie controls on the evolution of groundwater chemistry s'Sr/s''Sr in a sandy silicate aquifer, northern Wisconsin. USA. Geoehim. Cosmoehim. Aeta 60. 1807 1821.

Coudrain, A., Talbi, A., I.edoux, E., Loubet, M., Vacher. .1. & Ramirez, E. (2001) Long-term cycle of chloride in a closed system: modeling of the Altiplano Basin (Bolivia) over 11 kyr. Ground Water 39, 751-759.

Coudrain. A., Talbi, A., I.edoux, L\, Ribslein, P. & de Marsily, G. (2000) Changements climatiques et recyclage sur plusieurs milliers d'années du chlorure entre lacs et eau souterraine: exemple de FAltiplano bolivien. In: Tracers and Modelling in Hrdro<>eologY (ed. bv A. Dassargues) (Proc. TraM'2000 Conf., Liège, Belgium. Mav 2002), 409-416. IA11S Publ. no. 262.

Coudrain-Ribslein, A.. Pralx, B.. 'Talbi, A. & .(tisserand, C. ( 1998) L'évaporation des nappes phréatiques sous climat aride est-elle indépendante de la nature du soi ? C. R. Aead Sci., Paris, sér. 2 326. 159-165.

Cross, S., Baker, P. A., Seltzer, G. (.)., Fritz, S. C. & Dunbar, R. B. (2000) A new estimate of the 1 lolocene lowstand level of lake Titicaca, central Andes, and implications for tropical palaeohydrology. The Ilolocene 10(1), 21-32.

Cross, S. I.., Baker, P. A., Seltzer, G. ()., Fritz, S. C. & Dunbar, R. B. (2001) Late Quaternary climate and hydrology of tropical America inferred from an isotopie and chemical model of Lake Titicaca. Bolivia and Peru. Ouatern. Res. 56, 1-9.

Fstèves. M. & Rajot. .1. !.. (1999) Un exemple de cartographie au ruissellement en région sahélienne: Sama Dev. Niger. Ilydrol. Sel. ',/, 44(2), 297-312.

Faure, G. (1986) Principles of Isotope Geology. J. Wiley & Sons Inc., New York, USA. Fontes, .1. C , Boulange, B., Carmouze, .1. P. & Florkovvski, T. (1979) Preliminary oxygen-18 and deuterium study of the

dynamics of lake Titicaca. In: isotopes in Take Studies. 207-229, IAEA, Vienna, Austria. Gasse, F. (2001 ) I lydrological changes in Africa. Science 292, 2259-2260. Giggenbaeh, W. F. (1978) The isotopie composition of waters from FT Tatio geothermal field, northern Chile. Geoehim.

~ Cosmoehim. Acta 42, 979-988. Grove, M. .)., Baker, P. A., Cross, S. F. & Seltzer, G. (). (1997) Sr isotope hydrology and paleohydroiogy of the Altiplano.

Bolivia-Peru, in: Proceeding of AGU 1997 Fall Meeting Abstract. F43. EOS. Am. Geophvs. Onion, Washington DC, USA.

Grove. M. .1., Baker, P. A. & Seltzer, G. (). (1998) Reconstructing late Quaternary paleolimnology and paleoelimatc of southern Bolivia from Algal-bioherms. In: Proc. AGU Pall Meetim; Abstract, F505. EOS. Am. Geophvs. Union, Washington DC, USA.

Guvot. J. 1... Roche, M. A., Noriega, I,., Calle, 11. & Quintanilla. J. (1990) Salinities and sediment transport in the Bolivian highlands.,/. Ilydrol. 113, 147-462.

Ilaslenrath, S. & Kutzbach, .1. (1985) Late Pleistocene climate and water budget of the South American Altiplano. Ouatern. Res. 24, 249-256.

I looper, R. P., Chrislophersen, N. & Peters. N. E. ( 1990) Modelling end-members—an application to the Panola Mountain Catehment, Cieorgia, USA../. Ilydrol. 116, 321 343.

Lavenu, A., Fornari. M. & Sebrier, M. ( 1984) Existence de deux nouveaux épisodes lacustres quaternaires dans FAltiplano péruvo-bolivien. t'a/?. ORSTO.M, série Géologie XI V( 1 ), 103-114.

306 Anne Coudrain et al.

Marsh, S. P., Richler, D. II., Ludington, S., Soria-Escalanle, E. & Escobar-Diaz, A. (1992) Geologic map of the Alliplano and Cordillera Occidental, Bolivia. In: Geology and Mineral Resources of the Altiplano and Cordillera Occidental. Bolivia. US Geol. Survey and Servicio Geologico de Bolivia, La Paz, Bolivia.

Mourguiarl, P., Argollo, J., Corrège, T., Martin, L., Montenegro, M. E., Sifeddine, A. & Wirrmann, D. (1997) Changements limnoloeiques et climatologiques dans le bassin du lac Titicaca (Bolivie), depuis 30 000 ans. C. R. Acad'. Sel. Paris ser. lia 325, 139-146.

Negrel, P. & Lachassagne, P. (2000) Geochemistry of the Maroni River (French Guyana) during the water stage: implications for water-rock interaction and groundwater characteristics.J. Hydrol. 237, 212-233.

Pouyaud, B. (1993) I,ago Tilicaca, mission d'évaluation sur la prise en compte de ['evaporation pour le programme européen TDPS. Rapport Q\\i ORSTOM—Electricité De France, Paris, France.

Quintanilla, .1., Salm, II. & Espinoza, A. I. (1993) Estudio de hidroquimica y contamination, Sistema TDPS, Comisiôn de la Comunidades Europeas. Etude d'hydrochimie et de contamination dans le système Titieaca-Desaguadero-Poopo-Salars. Rapport de la Cummunaulé Européenne.

Risacher, F. & Fritz, B. (1991) Quaternary sieochemical evolution of the salars of Uvuni and Coipasa, Central Altiplano, Bolivia. Chem. Geo!. 90, 211 -231.

Risacher, F. & Fritz, B. (2000) Bromine geochemistry of salar de Uvuni and deeper salt crusts, central Altiplano, Bolivia. Chem. Geol. 167, 373-392.

Roche, M. A., Bourges, J., Cortes, J. & Mattos, R. (1992) Climatology and hydrology of the lake Titicaca basin (Chapter IV. 1). In: Lake Tilicaca, a Synthesis of l.imnologica! Knowledge (ed. by C. Dejoux & A. litis), 63-88. Kluwcr, Dordrecht, The Netherlands.

Rouchy, ,1. M., Servant, M., Fournier, M. & Causse, C. (1996) Extensive carbonate algal bioherms in upper Pleistocene saline lakes of the central Altiplano of Bolivia. Sedimentol. 43, 973-993.

Servant, M., Fournier, M., Argollo, .1., Servant-Viklary, S., Sylvestre, F., Wirrmann, D. & Ybert, J. P. (1995) La dernière transition glaciaire/interglaciaire des Andes tropicales sud (Bolivie) d'après l'étude des variations des niveaux lacustres et des fluctuations glaciaires. C". R. Acad. Sel. Paris ser. Ha 320, 729-736.

Sylvestre, F., Servant, M., Servant-Vildary, S., Causse, C , Fournier, M. & Ybert, J. P. (1999) Lake level chronology on the southern Bolivian Altiplano (18°-23°S) during the Late-Glacial time and the Earlv Holocene. Oualem. Res. 51, 54-66.

Takeuehi, K,., Ao, T. & Ishidaira, II. (1999) Introduction of block-wise use of TOPMODEL and Muskingum-Cunge method for the hydro-environmental simulation of a large ungauged basin. Hydrol. Sci. J. 44(4), 633-646.

Talbi, A. (2001 ) Modélisation hydrogéoehimique des écoulements souterrains dans les Andes centrales depuis le retrait du lac Tauca il I 00(1 ans). Université Pierre et Marie Curie, Paris, France.

Talbi, A., Coudrain, A.. Ribstein, P. & Pouvaud, B. (1999) Calcul de la pluie sur le bassin versant du lac Tilicaca pendant l'Holocène. C. R. Acad. Sei. Paris sér" Ha 329, 197-203.

(DPS (Tilicaca- Desaguadero-Poopo-Salar) (1993) Estudios de hidrologia. La Paz. Bolivie. EC Report. Vacher, J. J., Imana, E. & Canqui, E, ( 1994) Las caracteristicas radîalivas y la evapolranspiracion polencial en cl Altiplano

Boliviano (Les caractéristiques radiatives et l'évaporation potentielle sur l'Altiplano bolivien). Rer. de Agricultura. Facultad de Cïencias Agrieolas y Pecuarias, 50, 4-11. Universidad Mayor San Simon, Cochabamba, Bolivia.

Wilson, M. (1989) Igneous Pelrogenesis. Unwin flyman, Boslon, USA. Wirrmann, D. (1992) Gcomorphology and sedimentation (Chapter II) and Morphology and bathymetry (Chapter II.1).

In: Lake Titicaca. A Synthesis of Limnological Knowledge (ed. by C. Dejoux & A. litis), 16 22. Kluwer, Dordrecht, The Netherlands.

Yana. C , Telmer, K. & Veizer, .1. (1996) Chemical dvnamics of the St Lawrence riverine system. Geoehim. Cosmochim. "Acta 60, 851-866. Reçu 22 novembre 2000; accepté 5 novembre 2001