Origin of fracturingin hard‐rock aquifers: what are the factors controlling the properties of the fractured layer?

Keynote invitée sur l'origine des aquifères de socleInternational audienceThe discovery,during the last 1990s, of a thick fractured layer below the saprolite in lateritic profiles developed on crystalline rocks has resulted in a redefinition of hardrock aquifers. During the first 2000s, numerous researches were conducted in different continents in order to validate thisnew concept of stratiform hardrock aquifer linked to weathering processes.Commonly, the term of " lateritic profile " is used for subtractive weathering profiles developed on metamorphic, plutonic or volcanic rocks. They are the only rocks that are able to develop a fractured layer atdepth. Figure 1–Structure of a lateritic profilepartially eroded by the present topography A lateritic profile usually shows, from top to bottom (Figure 1):-A ferraliticduricrust, 1 to 10 m thick, resulting from recrystallization of goethite (iron hydroxide) to hematite (iron oxide) due to seasonal desiccation of the top of the profile. Where preserved from later erosion and recharged by heavy rainfall this duricrust can give rise to seasonal perched aquifers, particularly in tropical humid areas.-Loose alterites (saprolite), made up of a mixing of clays, hydroxides, oxides and residual minerals (quartz). At the top of saprolite, mottled clay (meter-thick) is a transition horizon to iron crust. In granular rocks (granitoids, gabbros), the lower part of the saprolite shows a characteristic laminated texture (" laminated layer "), due to high density of tension microcracks (millimetric spacing).The saprolite is of rather low hydraulic conductivity, about 10-6 m/s in granites, lower in their laminated layer and at the top (more clayey) of the saprolite (10-7-10-8 m/s). This layer plays the capacitive role of the hard rock aquifer.-A fractured layer, characterized by a high density of cracks in the hard rock that plays the permeable role of the hard rock aquifer. The density andconnectivity o

Évaluation des ressources en eau de la Martinique : calcul spatialisé de la pluie efficace et validation à l’échelle du bassin versant

L’évaluation des différents termes du bilan hydrologique à l’échelle d’un bassin versant constitue l’un des points clés de la gestion des ressources en eau, et ce, tout particulièrement dans les régions montagneuses présentant de fortes variations spatiales de la pluviométrie et de l’évapotranspiration. Une méthodologie, basée sur le modèle classique de Thornthwaite, est proposée. Elle prend en compte les différents types de sols, l’occupation des sols ainsi que les effets topographiques et calcule les différents termes du bilan hydrologique (pluie, évapotranspiration, pluie efficace, etc.). L’approche a été mise en oeuvre à l’échelle du kilomètre carré, pour l’ensemble de l’île de la Martinique (1 080 km2), puis validée à l’échelle du bassin versant, en comparant les pluies efficaces calculées avec les débits mesurés aux stations de jaugeage. Malgré l’absence de calage des différents paramètres du modèle, les résultats sont très satisfaisants. Une surestimation de la pluie efficace est néanmoins observée pour la plupart des bassins versants utilisés pour la validation du modèle. Cet écart est attribué à une sous-estimation de l’évapotranspiration potentielle, la plupart des bassins versants comportant une composante forestière significative, non prise en compte dans le modèle.The assessment of the various components of the hydrologic budget at catchment scale represents a key challenge for water resources management. This is especially true for regions characterized by important spatial variability in rainfall or evapotranspiration due, for example, to topographical effects. A methodology, based on the classical Thornthwaite model, is proposed to account for soil types, land cover changes and topographical effects on the main components of the water cycle (rainfall, evapotranspiration and efficient rainfall). The approach is developed for the whole Martinique Island (French West Indies, 1080 km2) using a 1-km2 resolution and validated at catchment scale comparing computed efficient rainfall with measured discharge at several gauging stations. Despite the absence of any calibration of the model parameters, the results are satisfying. A slight overestimation of the efficient rainfall is generally observed for the validation watersheds. This discrepancy is interpreted as an underestimation of potential evapotranspiration as the classical Penman-Montheit formula for grass is used despite the presence of forested areas in most of the watersheds

Nouveaux éléments sur la structure et le fonctionnement hydrogéologique du plateau basaltique de l'Aubrac (Massif central, France). Première évaluation des potentialités en eau souterraine

International audienceIn volcanic areas, the quality of the geological data at the various scales is of paramount importance for the estimation of aquifer potentialities and thus for groundwater exploitation. Geological and hydrogeological investigation (synthesis of existing data, field geological observations, reconstruction of the infra-volcanic morphology, stream gauging, field hydrogeology, etc.) have been performed on the 450-km2 Aubrac basaltic plateau (Massif Central, France). These results allow us to specify the hydrological structure and functioning of this volcanic plateau that were quite unknown before. It is mainly constituted by the piling up of lava flows resting on a plutonic and metamorphic substratum. This volcanic unit constitutes an aquifer of regional importance whose groundwater resources are currently underexploited. These results allow us to delineate zones and strategies for priority hydrogeological prospectingEn milieu volcanique, la qualité de la connaissance géologique aux différentes échelles est de première importance pour l'évaluation des potentialités en eau souterraine des aquifères et pour leur mise en valeur. Des investigations géologiques et hydrogéologiques (synthèse des données existantes, observations géologiques de terrain, reconstitution de la morphologie du substratum infra-volcanique, jaugeages, hydrogéologie de terrain, etc.) ont été mises en œuvre au sein du plateau basaltique de l'Aubrac (Massif central, France). Elles permettent de préciser la structure et le fonctionnement hydrogéologique, très peu connu jusqu'à présent, de cet empilement de formations volcaniques, à dominante lavique, d'une superficie d'environ 450 km2, reposant sur un substratum principalement plutonique et métamorphique. Cet ensemble se révèle constituer un aquifère aux potentialités d'importance régionale, dont la ressource en eau souterraine est actuellement très largement sous-exploitée. Les résultats obtenus permettent de proposer des zones et stratégies de prospection prioritair

Anisotropie verticale de la perméabilité de l'horizon fissuré des aquifères de socle : concordance avec la structure géologique des profils d'altération

International audienceDes essais de pompage, réalisés au sein de l'horizon fissuré d'un aquifère de socle granitique, interprétés aux puits d'observation au moyen de la solution analytique de Neuman et aux puits de pompage au moyen de celle de Gringarten, mettent en evidence l'anisotropie verticale de cet horizon constitutif de l'aquifère ; la perméabilité horizontale étant nettement et systématiquement supérieure à la perméabilité verticale. Ces résultats concordent parfaitement avec les observations géologiques, l'horizon fissuré du profil d'altération du granite montrant de nombreuses fissures sub-horizontales. Ils confirment le caractère dominant, au sein de l'horizon fissuré, de la perméabilité des fissures subhorizontales dues au processus d'altération sur celle des fractures subverticales d'origine tectonique

Revisão: Hidrogeologia de aquíferos cristalinos/rocha-dura intemperizados—diretrizes para avaliação operacional e gestão de seus recursos hídricos

International audienceHard rocks or crystalline rocks (i.e., plutonic and metamorphic rocks) constitute the basement of all continents, and are particularly exposed at the surface in the large shields of Africa, India, North and South America, Australia and Europe. They were, and are still in some cases, exposed to deep weathering processes. The storativity and hydraulic conductivity of hard rocks, and thus their groundwater resources, are controlled by these weathering processes, which created weathering profiles. Hard-rock aquifers then develop mainly within the first 100 m below ground surface, within these weathering profiles. Where partially or noneroded, these weathering profiles comprise: (1) a capacitive but generally low-permeability unconsolidated layer (the saprolite), located immediately above (2) the permeable stratiform fractured layer (SFL). The development of the SFL’s fracture network is the consequence of the stress induced by the swelling of some minerals, notably biotite. To a much lesser extent, further weathering, and thus hydraulic conductivity, also develops deeper below the SFL, at the periphery of or within preexisting geological discontinuities (joints, dykes, veins, lithological contacts, etc.). The demonstration and recognition of this conceptual model have enabled understanding of the functioning of such aquifers. Moreover, this conceptual model has facilitated a comprehensive corpus of applied methodologies in hydrogeology and geology, which are described in this review paper such as water-well siting, mapping hydrogeological potentialities from local to country scale, quantitative management, hydrodynamical modeling, protection of hard-rock groundwater resources (even in thermal and mineral aquifers), computing the drainage discharge of tunnels, quarrying, etc.Las rocas duras o cristalinas (es decir, las rocas plutónicas y metamórficas) constituyen el basamento en todos los continentes, y están particularmente expuestas en la superficie en los grandes escudos de África, India, América del Norte y del Sur, Australia y Europa. Estas rocas han estado, y siguen estando en algunos casos, expuestas a procesos de meteorización profunda. El almacenamiento y la conductividad hidráulica de las rocas duras, y por tanto sus recursos hídricos subterráneos, están controladas por estos procesos de meteorización, que generaron perfiles de meteorización. Los acuíferos de rocas duras se desarrollan principalmente en los primeros 100 m por debajo de la superficie del suelo, dentro de estos perfiles de meteorización. Cuando están parcialmente erosionados o no, estos perfiles de meteorización comprenden (1) una capa no consolidada con capacidad de almacenamiento pero generalmente de baja permeabilidad (el saprolito), situada inmediatamente por encima de (2) una capa permeable fracturada de forma estratificada (SFL). El desarrollo de la red de fracturas de la SFL es consecuencia de la tensión inducida por el engrosamiento de algunos minerales, especialmente la biotita. En mucha menor medida, la meteorización adicional, y por tanto la conductividad hidráulica, también se desarrolla a mayor profundidad por debajo del perfil de meteorización, en la periferia o dentro de las discontinuidades geológicas preexistentes (fallas, diaclasas, diques, vetas, contactos litológicos, etc.). La demostración y el reconocimiento de este modelo conceptual han permitido comprender el funcionamiento de dichos acuíferos. Además, este modelo conceptual ha facilitado un amplio conjunto de metodologías aplicadas en hidrogeología y geología, que se describen en este artículo de revisión, como la localización de pozos de agua, la cartografía de las potencialidades hidrogeológicas desde la escala local a la regional, la gestión cuantitativa, la modelización hidrodinámica, la protección de los recursos hídricos subterráneos de roca dura (incluso en acuíferos termales y mineralizados), el cálculo de la descarga de drenaje de túneles, la explotación de canteras, etc.Les roches de socle ou cristallines (c’est-à-dire les roches plutoniques et métamorphiques) constituent le substratum de tous les continents et affleurent tout particulièrement au sein des grands boucliers, en Afrique, Inde, Amérique du Nord et du Sud, Australie et Europe. Elles ont été, et sont encore dans certains cas, soumises à des processus d’altération profonde. Depuis une quinzaine d’années, il a été formellement démontré que l’emmagasinement et la perméabilité des roches de socle, et donc leurs ressources en eau souterraine, sont contrôlés par ces processus d’altération qui ont conduit au développement de profils d’altération. Les aquifères de socle se développent principalement dans les 100 premiers mètres sous la surface du sol, au sein de ces profils d’altération. Lorsque ces profils ne sont pas partiellement ou totalement érodés, ils comprennent, de haut en bas: (1) une couche non consolidée, capacitive mais généralement peu perméable (la saprolite), située immédiatement au-dessus (2) de l’horizon fracturé stratiforme (SFL). Le développement du réseau de fractures de l’SFL est la conséquence des contraintes induites par le gonflement de certains minéraux, notamment la biotite. Dans une bien moindre mesure, l’altération, et par conséquent la perméabilité, se développent aussi plus profondément sous le profil d’altération, à la périphérie ou au sein de discontinuités géologiques préexistantes (joints, dykes, filons, contacts lithologiques, etc.). La démonstration et la reconnaissance de ce modèle conceptuel ont permis de comprendre le fonctionnement de ces aquifères. En outre, cela a permis de développer un corpus complet de méthodologies appliquées en hydrogéologie et en géologie, qui sont décrites dans le présent article de synthèse, telles que: l’implantation des forages d’eau, la cartographie des potentialités hydrogéologiques de l’échelle locale à l’échelle nationale, la gestion quantitative, la modélisation hydrodynamique, la protection des ressources en eaux souterraines des roches de socle (y compris dans le cas des aquifères thermaux et minéraux), le calcul du débit d’exhaure des tunnels, l’exploitation des carrières de roches dures, etc.Rochas duras ou cristalinas (ex., rochas plutônicas ou metamórficas) constituem o embasamento de todos os continentes, e são particularmente expostas na superfície de grandes escudos da África, Índia, América do Norte e Sul, Austrália e Europa. Eles foram, e ainda são em alguns casos, expostos a profundos processos de intemperismo. O armazenamento e a condutividade hidráulica de rochas duras, e, portanto, seus recursos hídricos, são controlados pelos processos de intemperismo, que criaram perfis de intemperismo. Aquíferos de rochas duras desenvolvem-se principalmente nos primeiros 100 m abaixo da superfície, dentro do perfil de intemperismo. Onde parcialmente ou não erodidos, estes perfis de intemperismo possuem: (1) uma camada não consolidada (o saprólito) com capacidade, mas geralmente baixa permeabilidade localizada imediatamente acima (2) de uma camada estratiforme fraturada (CEF) permeável. O desenvolvimento da rede de fraturas da CEF é a consequência do estresse induzido pela dilatação de alguns minerais, notavelmente a biotita. Para uma extensão muito menor, maior intemperismo, e, portanto, condutividade hidráulica, também se desenvolve mais profundamente abaixo do perfil de intemperismo, na periferia da ou dentro de descontinuidades geológicas preexistentes (juntas, diques, veios, contatos litológicos, etc.). A demonstração e reconhecimento deste modelo conceitual facilitou uma abrangente coleção de metodologias aplicadas em hidrogeologia e geologia, que são descritas brevemente neste artigo de revisão, como localização de poços de água, mapeamento de potencialidades hidrogeológicas de escala local a de países, gestão quantitativa, modelagem hidrodinâmica, proteção de recursos hídricos subterrâneos de rochas duras (mesmo em aquíferos termais e minerais), cálculo da vazão de drenagem de túneis, mineração, etc