Utilisation d'une approche couplée hydrogéophysique pour l'étude des aquifères : application aux contextes de socle et côtier sableux

The use of a combined hydrogeophysical approach for aquifer characterization : application to coastal and hard rock aquifers

• Auteur / Autrice : Johan Hoareau
• Direction : Anatoli Legchenko, Jean-Michel Vouillamoz
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Hydrogéophysique
• Date : Soutenance en 2009
• Etablissement(s) : Université Joseph Fourier (Grenoble ; 1971-2015)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Hydrogéologie

Échos de spins de neutrons

Aquifères

Résonance magnétique du proton

Résumé

La pertinence du plan de gestion d’un aquifère dépend de la connaissance que l’on a de ce milieu, et donc des informations utilisées pour le caractériser. Cette caractérisation est classiquement réalisée à partir d’études géologiques, piézométriques et de pompages d’essai. Ces études présentent toutefois certaines limitations, qui peuvent néanmoins être réduites par l’utilisation de méthodes complémentaires comme les méthodes géophysiques. L’objectif de cette thèse est de quantifier l’amélioration apportée par les informations géophysiques dans la caractérisation hydrogéologique des aquifères. Deux contextes géologiques sont sélectionnés pour les difficultés qu’ils posent à la caractérisation hydrogéologique, et l’importance des questions sociétales qui s’y posent : les aquifères de socle cristallin et les lentilles d’eau douce des cordons sableux côtiers. Les résultats de l’étude numérique et sa validation sur deux sites expérimentaux en Inde montrent que les informations complémentaires apportées par la tomographie de résistivité électrique et la méthode de sondage par résonance magnétique des protons (RMP) permettent de préciser l’interprétation de pompages d’essai en contexte de socle. L’incertitude sur la transmissivité est réduite en moyenne de 39 % et celle sur le coefficient d’emmagasinement de34 %. Cette approche hydrogéophysique permet ainsi de mieux décrire le milieu souterrain, et de proposer des modèles conceptuels plus complets. En milieu côtier sableux dans le Sud de l’Inde, l’utilisation combinée d’observations piézométriques, de la loi d’Archie et des méthodes de sondage lectromagnétiques en domaine temporel (TDEM) et RMP permet de quantifier un volume d’eau douce disponible de 510 litres en moyenne par mètre carré de surface au sol avant la mousson dans la partie inhabitée (contre 420 L/m2 dans la partie habitée), et 670 L/m2 après la mousson (contre 450 L/m2 dans la partie habitée). Ces volumes auraient été surestimés de 23 % si une approche plusclassique avait été utilisée. Le suivi temporel des mesures géophysiques permet également d’estimer la recharge nette de l’année hydrologique 2008 à 142 mm sur ce cordon (pour 2030 mm de précipitations). De plus, ce cordon sableux présente un champ géomagnétique hétérogène, qui ne permet pas la réalisation de mesures de signaux de Free induction decay, (FID) classiquement enregistrés en sondage RMP. Une nouvelle procédure de mesure et d’interprétation basée sur des signaux d’écho de spin a donc été testée et validée expérimentalement. La caractérisation du milieu avec ce nouveau protocole permet de préciser la teneur en eau du milieu, sous-estimée de 29 % par le protocole FID. Ce résultat ouvre de nouvelles perspectives dans la recherche d’une relation quantifiée entre la teneur en eau RMP et les différentes porosités hydrogéologiques.

The pertinence of any aquifer management plan relies o nthe knowledge of this system, and therefore on the information used to chearacterize it. The aim of this thesis is to quantify the improvement of this characterization when geophysical methods are used complementary to hydrogeological techniques. Two hydrogeological contexts have been selected for the study, as their characterization is often difficult while they gather important populations : cristalline hard rock aquifers, and the freshwater lens of sandy coastal aquifers. The results of a numerical study and its validation on two study site located in India reveal that the information brought by electrical resistivity tomography (ERT) and magnetic resonance soundings (MRS) enable to precise the interpretation of pumping tests in hard rock areas. The uncertainly on transmissivity is reduced by an average of 39 % and by an average of 34 % for storativity. In a sandy coastal area, the combined use of water level measurements, Archie's law, time domain electromagnetism (TDEM) and MRS soundings enable to quantify the available freshwater volume. This volume would have been overstimated by 23 % with a more classical approach. Time lapse geophysics also enable to quantify the net recharge of the aquifer for 2008, as 142 mm (for a total rainfall of 2030 mm). As the site present an important geomagnetic field heterogeneity, a new protocol for the acquisition and the interpretation of MRS data has been tested and validated. It is based on the measurements of spin echo signals. It enables to constrain the estimation of water content on this site, which under-estimate by 29 % by the classicla protocol.