Approche interdisciplinaire pour la caractérisation hydrogéologique du milieu crayeux : application au transfert de perchlorate dans la craie de Champagne

Interdisciplinary approach for the hydrogeological characterization of the Chalk aquifer : application on perchlorate transfer in the Champagne Chalk

• Auteur / Autrice : Feifei Cao
• Direction : Vincent Barbin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences du sol
• Date : Soutenance le 05/03/2020
• Etablissement(s) : Reims
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Agriculture, alimentation, biologie, environnement, santé (Paris ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Groupe d'Etude sur les Géomatériaux et ENvironnements Anthropisés (GEGENA) - UR 3795 (Reims, Marne)
• Jury : Président / Présidente : Patrick Höhener
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Vincent Barbin, Alain Dassargues, Laurent Charlet, Danièle Valdes, Jessy Jaunat, Patrick Ollivier
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Alain Dassargues, Laurent Charlet

Mots clés

Mots clés contrôlés

Eau -- Pollution par les engrais

Sols -- Pollution

Pollution de l'eau

Eau -- Pollution par les composés inorganiques

Mots clés libres

Nappe de la Craie

Isotopes

Grand Guerre

Temps de séjour

Chalk aquifer

World War I

Isotope analysis

Groundwater dating

Résumé

Des analyses ont mis en évidence la présence de perchlorate (ClO4-, suspecté d’être un perturbateur endocrinien) dans des captages d’eau potable de Champagne-Ardenne. Deux sources sont suspectées : une source militaire liée à la Grande Guerre et une source agricole liée à l’utilisation passée de nitrates chiliens. Les objectifs de l’étude sont de déterminer l’origine et le comportement des ClO4- dans les eaux souterraines de la craie de Champagne et d’expliquer les hétérogénéités observées en précisant le fonctionnement de la nappe.La zone d'étude se trouve à l'est de Reims, où une étude historique, hydrologique, géochimique et isotopique est réalisée. Une forte hétérogénéité géochimique des eaux de la nappe est observée. Un modèle conceptuel du fonctionnement de la nappe est proposé, mettant en évidence les facteurs contrôlant la géochimie des eaux souterraines. Les teneurs élevées en ClO4- (> 4 µgL-1) sont détectées principalement en aval des Monts de Champagnes, où de grandes quantités de munitions ont été utilisées, stockées et détruites pendant et après la Grande Guerre. Une origine militaire post-conflit est mise en évidence par l’analyse isotopique des ClO4- et la détermination de l’âge des eaux. L’évolution spatio-temporelle des concentrations est discutée sur la base des teneurs en ClO4-, du fonctionnement de la nappe et des informations historiques, permettant de préciser les sources (e.g. munitions non explosés et sites de destruction des munitions) et les mécanismes de transfert des ClO4-. La contamination en ClO4- de l’aquifère de la craie de Champagne ne semble pas diminuer à court et moyen termes en raison de la forte persistance des sources de ClO4-.

Perchlorate (ClO4-) has frequently been detected in groundwater at concentrations relevant to human health. Analyzes in Champagne-Ardenne have highlighted the presence of ClO4- in groundwater for drinking water supply. The ClO4- has two suspected sources: a military source related to World War I (WWI) and an agricultural source related to past use of Chilean nitrate fertilizers. The objectives of the study are to determine the sources and behavior of ClO4- in the Champagne Chalk aquifer and to explain the heterogeneities observed by specifying the aquifer functioning.The study area is located east of Reims. A methodology involving historical, hydrodynamic, geochemistry, groundwater dating and isotope analysis has been developed. High spatio-temporal heterogeneities are observed in the Chalk aquifer. A conceptual model of aquifer functioning is proposed, highlighting main factors governing the Chalk groundwater geochemistry. ClO4- is detected throughout the area with high concentrations (> 4 µgL-1) detected mainly downgradient the Champagne Mounts, where large quantities of ammunition were used, stored and destroyed during and after WWI. A post-WWI military origin of ClO4- is inferred from isotopic analysis and groundwater ages. Different tendencies of ClO4- variation are observed and interpreted by a combination of ClO4- concentrations, aquifer functioning and historical investigations, revealing major sources of ClO4- (e.g., unexploded ammunitions, ammunition destruction sites) and its transfer mechanisms in the aquifer. ClO4- contamination in the Champagne Chalk seems unlikely to decrease in the short- to medium-term due to the long persistence time of major sources.