Apport du radon et des isotopes du radium à la caractérisation des circulations souterraines en domaine karstique : application à l'aquifère du Lez (Hérault, France)

par Arnold Molina Porras

Thèse de doctorat en Sciences de l'eau

Sous la direction de Jean-Luc Seidel.

Soutenue le 24-11-2017

à Montpellier , dans le cadre de GAIA - Biodiversité, Agriculture, Alimentation, Environnement, Terre, Eau , en partenariat avec HydroSciences (Montpellier) (laboratoire) .


  • Résumé

    La compréhension des processus de recharge et de l’hydrodynamique des systèmes aquifères karstiques est indispensable pour estimer la vulnérabilité et la disponibilité des réserves en eau souterraine. Afin d’améliorer cette compréhension, de nombreuses études ont utilisé l’information issue du comportement de plusieurs éléments chimiques et des isotopes naturels dans les eaux souterraines. Parmi eux, les quatre isotopes du radium (223Ra, 224Ra, 226Ra et 228Ra) et le radon (222Rn), tous radioactifs, sont de plus en plus utilisés. Ces traceurs naturels permettent d’identifier l’origine des différentes masses d’eau et leurs processus de transport et de mélange dans plusieurs types de systèmes aquifères. Cependant, leur application aux systèmes karstiques est principalement développée dans les systèmes côtiers ou thermaux, dont les eaux sont souvent riches en Ra. Très peu de travaux ont été menés dans les aquifères karstiques continentaux, probablement en raison de la faible activité de ces radionucléides, qui les rend difficiles à quantifier et nécessitant le prélèvement de plusieurs litres d’eau. La première partie de ce travail a donc consisté au développement d’un nouveau dispositif de prélèvement capable de concentrer in-situ le radium contenu dans plusieurs dizaines de litres d’eau (20-300 L) à l’aide de de fibre acrylique imprégnée de MnO2 et d’améliorer la mesure des activités par spectrométrie gamma. Grâce à cette méthode, nous avons été capables de mesurer, pour la première fois, les faibles activités des quatre isotopes de Ra (0,4 à < 7,0 mBq/L pour 226Ra, 228Ra et 224Ra et de 0,05 à 0,3 mBq/L pour 223Ra) dans les eaux de deux hydrosystèmes karstiques continentaux Méditerranéens, les systèmes du Haut Vidourle et du Lez (Sud de la France). La méthode de quantification de 222Rn a également été optimisée. L’étude du comportement des isotopes de Ra et de Rn dans la zone d’étude a mis en évidence les diverses applications avérées ou potentielles de la mesure de ces radionucléides dans les aquifères karstiques. En général, les valeurs des activités de 226Ra et du rapport (228Ra/226Ra) des eaux sont cohérentes avec le type de lithologie dans lesquelles elles circulent ou sont stockées. Nous avons pu ainsi mieux préciser l’influence des eaux du Vidourle à la recharge allogénique de l’aquifère de Sauve. Nous avons montré que parfois, les activités des isotopes de Ra correspondent plutôt à des valeurs typiques des différents compartiments aquifères qu’à celles de la roche encaissante. Ces résultats nous ont permis de déterminer les proportions de mélange des trois différents pôles géochimiques composant le flux d’eau qui s’écoule à la source du Lez suivant les conditions hydrodynamiques. Les isotopes à longue période (226Ra et 228Ra) combinés aux isotopes à courte période (224Ra et 223Ra), permettent potentiellement de déterminer, en même temps, les taux de mélange et le temps de transfert des eaux. De plus, l’excès des isotopes à courte période traduirait l’arrivée d’eaux souterraines en surface, 223Ra et 224Ra devenant de meilleurs traceurs des échanges superficiels que Rn car ils ne subissent pas de processus de dégazage vers l’atmosphère. Par contre, l’étude de l’évolution temporelle du radon à la source du Lez a mis en évidence que ce gaz radioactif naturel est un très bon traceur des processus de recharge diffuse des aquifères karstiques. Les relations entre 223Ra et 222Rn, ainsi qu’entre 210Pb et 222Rn, peuvent fournir des informations sur le temps de transfert des eaux souterraines. Cependant, des études complémentaires et à plus long terme sont nécessaires.

  • Titre traduit

    Contribution of radon and radium isotopes in the characterization of groundwater circulation in a karstique system : application to the aquifer of Lez (Hérault, France)


  • Résumé

    Understanding recharge processes and hydrodynamics of karstic systems is an essential rule to assess their vulnerability and their groundwater resource availability. Numerous studies use the behavior of natural geochemical elements and isotopes in groundwaters to improve this understanding. The radium quartet (223Ra, 224Ra, 226Ra and 228Ra) and the radon (222Rn), natural radioactive elements, have been commonly applied for studies devoted to the identification of water mass origins and to their mixing and transfer processes in different type of aquifers. Nevertheless, the applications to karstic systems are mainly concerned to coastal and thermal systems, because of their uncommon Ra enrichment. Just a few works have been undertaken in continental karstic aquifers, probably because of these radionuclide low activities in such environments. This statement makes their quantification not easy and requires large water sampling. The first part of our research work has been devoted to the development of a new sampling system able to pre-concentrate in situ the radium present in several tens of liters of water (20-300 L) with MnO2-fibers and to improve the determination of Ra quartet activities by means of gamma spectrometry. This method gave us the ability of measuring, for the first time, the very low activities of the four radium isotopes (0.4 to < 7.0 mBq/L for 226Ra, 228Ra et 224Ra and from 0.05 to 0.3 mBq/L for 223Ra) in the waters of two Mediterranean karstic hydrosystems, the Haut Vidourle and the Lez systems (both located in South of France). The radon measuring method has also been optimized and improved. The study of the Ra isotope and Rn behavior over the survey area put in evidence the multiple applications of measuring these radionuclides in karstic aquifers. 226Ra activities and (228Ra/ 226Ra) ratios in water are in agreement with the existing lithologies into which the waters flow or are stored. The effective participation of Vidourle river water to the allogenic recharge of the Sauve aquifer has been specified. We showed that sometimes, the Ra isotope activities correspond to characteristic values of the aquifer compartments instead of the bedrock. These data also allow us to estimate the mixing proportions of the three geochemical endmembers composing the waters flowing at the Lez karstic spring in relation with hydrodynamic conditions. Coupling the long-lived radium isotopes (226Ra and 228Ra) together with the short life isotopes (223Ra and 224Ra) potentially led us, at the same time, to determine the mixing rates and the transfer time of the groundwaters. Moreover, the short life isotope excess would express groundwater venues at surface, 223Ra and 224Ra becoming more reliable tracers of superficial exchanges than radon because insensitive to degassing processes towards the atmosphere. On the other end, the study of the radon time evolution at the Lez spring confirmed that this natural radioactive gas is a good tracer of the diffuse recharge processes of karstic aquifers. The relations between 223Ra and 222Rn as well as between 210Pb and 222Rn, could give access to the transfer time of groundwater. However, more exhaustive researches are needed.


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