Study of historical groundwater level changes in two Belgian chalk aquifers in the context of climate change impacts

peer reviewedIn southern Belgium, 23% of abstracted groundwater volumes are from chalk aquifers, representing strategic resources for the region. Due to their specific nature, these chalk aquifers often exhibit singular behaviour and require specific analysis. The quantitative evolution of these groundwater resources is analysed for the Mons Basin and Hesbaye chalk aquifers as a function of past evolution, in the short and long term. Groundwater level time series exhibit decreases when analysed over different periods. This is particularly visible for the Hesbaye chalk aquifer when comparing the 1960–90 and 1990–2020 periods. Such decreases are associated with observed temperature increases and precipitation decreases, inducing a decrease of aquifer recharge, and a probable increase of groundwater abstraction in the adjacent catchment. Past evolution is also discussed considering recent winter and summer drought events. The aquifers exhibit long delays in response to recharge events, particularly where the thickness of the partially saturated zone plays a crucial role in observed delays. Regarding future evolution, simulations of the impact of climate changes using medium–high emission scenarios indicate a probable decrease of the groundwater levels over the Hesbaye chalk aquifer

Stratigraphical reinterpretation of Devonian strata underlying the Mons Basin based on cuttings from the Saint-Ghislain borehole, Hainaut, Belgium

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Cellules de convection géothermiques et fantômisation

International audienceThe initiation of speleogenesis has always been an enigma whenit is viewed in its geological context. The discovery of ghostrock and especially their systemic conception within the frameworkof karstogenesis leads to reconsider this initiation. “Ghosting” is the division of the bedrock into two phases: the weatheringdivides the bedrock in a soluble phase exported out of the system and a residual phase constituting the alterite. The examplesof the karsts of Lombardy and the paleokarsts of Hainaut have shown that this ghosting takes place several hundred metersbelow the water table. The Saint‐Ghislain geothermal field (Hainaut, Belgium) illustrates a solution to the explanation of the initiation of karstogenesis. This aquifer of limestone and carboniferous anhydrites outcrops north of the Mons Basin and sinks to a depth of 1,700 to 4,300 m under the coal formations vertically above the town of Saint‐Ghislain, west of Mons (Hainaut, Belgium). The application of thermo‐hydrodynamic models to this blind aquifer allows us to consider the appearance of convection cells fed by the geothermal gradient. Thus, depending on an initial permeability and above a limit thickness, a slow circulation of water begins and causes ghosting which can then be linked to a hypogenous type speleogenesis, chemical energy here being provided both by bacterial oxidation‐reduction reactions on sulphides and the physical dissolution of sulphates. The phantom of rock is thus created, the alterite being able to be partially eroded later thanks to the appearance of a hydrodynamic potential, whether it is of gravity or, as here, of geothermal origin.L'initiation de la spéléogenèse a toujours constitué une énigme lorsqu'elle est considérée dans son contexte géologique. La découverte des fantômes de roche et surtout leur conception systémique dans le cadre de la karstogenèse conduit à reconsidérer cette initiation. La fantômisation est la division de la roche-mère en deux phases : une phase soluble exportée hors du système et une phase résiduelle constituant l'altérite. Les exemples des karsts de Lombardie et les paléokarsts du Hainaut ont montré que cette fantômisation se déroule plusieurs centaines de mètres sous la surface piézométrique. Le champ géothermique de Saint-Ghislain (Hainaut, Belgique) illustre une solution apportée à l'explication de l'initiation de la karstogenèse. Cet aquifère de calcaires et anhydrites carbonifères affleure au nord du Bassin de Mons et s'enfonce jusque 1700 à 4300 m de profondeur sous les formations houillères à la verticale de la ville de Saint-Ghislain, à l'ouest de Mons (Hainaut, Belgique). L'application de modèles thermo-hydrodynamiques à cet aquifère aveugle permet de considérer l'apparition de cellules de convection alimentées par le gradient géothermique. Ainsi, en fonction d'une perméabilité initiale et au-dessus d'une épaisseur limite, une circulation lente d'eau s'amorce et provoque la fantômisation que l'on peut alors rattacher à une spéléogenèse de type hypogène, l'énergie chimique étant ici apportée à la fois par les réactions bactériennes d'oxydo-réduction sur sulfures et la dissolution physique des sulfates. Le fantôme de roche se crée ainsi, l'altérite pouvant être érodée partiellement plus tard à la faveur de l'apparition d'un potentiel hydrodynamique, qu'il soit d'origine gravitaire ou, comme ici, d'origine géothermique

Sur la piézométrie de la nappe des «Craies» de la Vallée de la Haine (Mons-Belgique)

Godfriaux Ivan, Rorive Alain. Sur la piézométrie de la nappe des «Craies» de la Vallée de la Haine (Mons-Belgique). In: Bulletin de la Classe des sciences, tome 64, 1978. pp. 473-477

Cellules de convection géothermiques et fantômisation

International audienceThe initiation of speleogenesis has always been an enigma whenit is viewed in its geological context. The discovery of ghostrock and especially their systemic conception within the frameworkof karstogenesis leads to reconsider this initiation. “Ghosting” is the division of the bedrock into two phases: the weatheringdivides the bedrock in a soluble phase exported out of the system and a residual phase constituting the alterite. The examplesof the karsts of Lombardy and the paleokarsts of Hainaut have shown that this ghosting takes place several hundred metersbelow the water table. The Saint‐Ghislain geothermal field (Hainaut, Belgium) illustrates a solution to the explanation of the initiation of karstogenesis. This aquifer of limestone and carboniferous anhydrites outcrops north of the Mons Basin and sinks to a depth of 1,700 to 4,300 m under the coal formations vertically above the town of Saint‐Ghislain, west of Mons (Hainaut, Belgium). The application of thermo‐hydrodynamic models to this blind aquifer allows us to consider the appearance of convection cells fed by the geothermal gradient. Thus, depending on an initial permeability and above a limit thickness, a slow circulation of water begins and causes ghosting which can then be linked to a hypogenous type speleogenesis, chemical energy here being provided both by bacterial oxidation‐reduction reactions on sulphides and the physical dissolution of sulphates. The phantom of rock is thus created, the alterite being able to be partially eroded later thanks to the appearance of a hydrodynamic potential, whether it is of gravity or, as here, of geothermal origin.L'initiation de la spéléogenèse a toujours constitué une énigme lorsqu'elle est considérée dans son contexte géologique. La découverte des fantômes de roche et surtout leur conception systémique dans le cadre de la karstogenèse conduit à reconsidérer cette initiation. La fantômisation est la division de la roche-mère en deux phases : une phase soluble exportée hors du système et une phase résiduelle constituant l'altérite. Les exemples des karsts de Lombardie et les paléokarsts du Hainaut ont montré que cette fantômisation se déroule plusieurs centaines de mètres sous la surface piézométrique. Le champ géothermique de Saint-Ghislain (Hainaut, Belgique) illustre une solution apportée à l'explication de l'initiation de la karstogenèse. Cet aquifère de calcaires et anhydrites carbonifères affleure au nord du Bassin de Mons et s'enfonce jusque 1700 à 4300 m de profondeur sous les formations houillères à la verticale de la ville de Saint-Ghislain, à l'ouest de Mons (Hainaut, Belgique). L'application de modèles thermo-hydrodynamiques à cet aquifère aveugle permet de considérer l'apparition de cellules de convection alimentées par le gradient géothermique. Ainsi, en fonction d'une perméabilité initiale et au-dessus d'une épaisseur limite, une circulation lente d'eau s'amorce et provoque la fantômisation que l'on peut alors rattacher à une spéléogenèse de type hypogène, l'énergie chimique étant ici apportée à la fois par les réactions bactériennes d'oxydo-réduction sur sulfures et la dissolution physique des sulfates. Le fantôme de roche se crée ainsi, l'altérite pouvant être érodée partiellement plus tard à la faveur de l'apparition d'un potentiel hydrodynamique, qu'il soit d'origine gravitaire ou, comme ici, d'origine géothermique

Fantômisation et hydrogéologie

International audienceThe hydrogeology of karstified limestones differs from hydrogeology in porous or simply fractured rocks by the non‐linearity of the flow equations: Darcy's law only applies to the case of laminar flows, that is, i.e., slow, under low hydrodynamic potential. The discovery of the notion of rock ghosts as well as the karstogenesis that ensues changes the way we think about these flows. In the deep quarries of the Soignies region (Belgium) exploiting Tournaisian limestones, fossil pseudoendokarsts are reactivated by the new hydrodynamic gradient imposed by the depth of the quarry. Localized and considerable inflows of water (several hundred m3 / h) emerge at the bottom of these quarries thanks to pseudoendokarsts, the residual alterite of which is gradually eroded. Against all expectations, these “rivers” emerge from this residual alterite sometimes at the bottom of galleries, not only very porous (from 60 to 70% for an alterite coming from a bedrock with porosity of less than 3%) but also quite permeable (up to 15,000 mD). These pseudoendokarsts can thus play the role of first drains in the evolution of a karstified massif into rock ghosts during the activation by uplift of these ghostrock, but also constitute additional capacitive zones if they are not connected at drains or before the appearance of a hydrodynamic gradient.L’hydrogéologie des calcaires karstifiés s’écarte de l’hydrogéologie en roches poreuses ou simplement fracturées par la nonlinéarité des équations d’écoulement : la loi de Darcy ne s’y applique que dans le cas d’écoulements laminaires, c’est‐à‐dire lents, sous potentiel hydrodynamique faible. La découverte de la notion de fantômes de roche ainsi que de la karstogenèse qui s’ensuit change notre manière d’envisager ces écoulements. Dans les profondes carrières de la région de Soignies (Belgique) exploitant des calcaires tournaisiens, des pseudoendokarsts fossiles sont réactivés par le nouveau gradient hydrodynamique imposé par la profondeur de la carrière. Des afflux d’eau localisés et considérables (plusieurs centaines de m3/h) émergent au fond de ces carrières à la faveur de pseudoendokarsts dont l’altérite résiduelle est progressivement érodée. Contre toute attente, ces « rivières » sortent de cette altérite résiduelle parfois au fond de galeries, non seulement très poreuse (de 60 à 70% pour une altérite provenant d’une roche mère à porosité inférieure à 3 %) mais également assez perméable (jusqu’à 15.000 mD). Ces pseudoendokarsts peuvent ainsi jouer le rôle de premiers drains dans l’évolution d’un massif karstifié en fantômes de roche lors de l’activation par surrection de ceux‐ci, mais également constituer des zones annexes capacitives s’ils ne sont pas reliés aux drains ou avant l’apparition d’un gradient hydrodynamique

Mise en évidence d'un milieu à «double porosité » par un essai de pompage

Applying the pseudovariational method of M. A. Biot to an axisymmetrical flow in a body characterized by 'dubbel porosity' gives, in the case of a pumping with constant level, results that are in good accordance with the discharge curve observed in the geothermal well drilled in the region of Möns.Delmer André, Leclercq V., Rorive Alain. Mise en évidence d'un milieu à «double porosité » par un essai de pompage. In: Bulletin de la Classe des sciences, tome 72, 1986. pp. 328-338

Fantômisation et hydrogéologie

International audienceThe hydrogeology of karstified limestones differs from hydrogeology in porous or simply fractured rocks by the non‐linearity of the flow equations: Darcy's law only applies to the case of laminar flows, that is, i.e., slow, under low hydrodynamic potential. The discovery of the notion of rock ghosts as well as the karstogenesis that ensues changes the way we think about these flows. In the deep quarries of the Soignies region (Belgium) exploiting Tournaisian limestones, fossil pseudoendokarsts are reactivated by the new hydrodynamic gradient imposed by the depth of the quarry. Localized and considerable inflows of water (several hundred m3 / h) emerge at the bottom of these quarries thanks to pseudoendokarsts, the residual alterite of which is gradually eroded. Against all expectations, these “rivers” emerge from this residual alterite sometimes at the bottom of galleries, not only very porous (from 60 to 70% for an alterite coming from a bedrock with porosity of less than 3%) but also quite permeable (up to 15,000 mD). These pseudoendokarsts can thus play the role of first drains in the evolution of a karstified massif into rock ghosts during the activation by uplift of these ghostrock, but also constitute additional capacitive zones if they are not connected at drains or before the appearance of a hydrodynamic gradient.L’hydrogéologie des calcaires karstifiés s’écarte de l’hydrogéologie en roches poreuses ou simplement fracturées par la nonlinéarité des équations d’écoulement : la loi de Darcy ne s’y applique que dans le cas d’écoulements laminaires, c’est‐à‐dire lents, sous potentiel hydrodynamique faible. La découverte de la notion de fantômes de roche ainsi que de la karstogenèse qui s’ensuit change notre manière d’envisager ces écoulements. Dans les profondes carrières de la région de Soignies (Belgique) exploitant des calcaires tournaisiens, des pseudoendokarsts fossiles sont réactivés par le nouveau gradient hydrodynamique imposé par la profondeur de la carrière. Des afflux d’eau localisés et considérables (plusieurs centaines de m3/h) émergent au fond de ces carrières à la faveur de pseudoendokarsts dont l’altérite résiduelle est progressivement érodée. Contre toute attente, ces « rivières » sortent de cette altérite résiduelle parfois au fond de galeries, non seulement très poreuse (de 60 à 70% pour une altérite provenant d’une roche mère à porosité inférieure à 3 %) mais également assez perméable (jusqu’à 15.000 mD). Ces pseudoendokarsts peuvent ainsi jouer le rôle de premiers drains dans l’évolution d’un massif karstifié en fantômes de roche lors de l’activation par surrection de ceux‐ci, mais également constituer des zones annexes capacitives s’ils ne sont pas reliés aux drains ou avant l’apparition d’un gradient hydrodynamique

Groundwater resources in the Ardenne massif

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