Caractérisation hydrogéologique, hydrogéochimique et isotopique des eaux souterraines thermo-minérales de la Corse orientale

Hydrogeological, hydrogeochemical and isotopic characterization of thermo-mineral groundwater in the eastern part of the Corsica island (France)

• Auteur / Autrice : Margaux Dupuy
• Direction : Frédéric Huneau
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de l'Univers
• Date : Soutenance le 17/12/2021
• Etablissement(s) : Corte
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Environnement et sociéte (Corte ; 2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Université de Corse (1975-....). UMR CNRS 6134 "Sciences pour l'Environnement" (SPE) - Université de Corse (1975-....). UMR CNRS 6134 "Sciences pour l'Environnement" (SPE)
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Hélène Celle-Jeanton, Zbyněk Hrkal, Vanina Pasqualini, Philippe Le Coustumer, Emilie Garel
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Hélène Celle-Jeanton, Zbyněk Hrkal

Mots clés

Mots clés contrôlés

Corse (France)

Isotopes

Hydrogéologie

Eaux minérales

Mots clés libres

Eaux thermo-minérales

Hydrogéologie

Isotopes

Gaz dissous

Corse

Thermo-mineral waters

Hydrogeology

Isotopes

Dissolved gases

Corsica

Résumé

En Corse, les eaux souterraines thermo-minérales ont été intensément exploitées de 1840 à 1914. Leur grande diversité chimique et gazeuse a toujours été favorable aux usages thérapeutiques ou ludiques. Même si cette activité a périclité depuis la 1ère guerre mondiale, il existe un potentiel hydrogéologique singulier et la question d’une remise en exploitation de certains sites se pose actuellement. C’est notamment le cas de la région Orientale de la Corse, avec une très forte diversité de gisements thermo-minéraux constituant la zone d’étude de cette thèse, incluant les sites d’Orezza, Pietrapola, Puzzichellu et quelques gisements annexes. Ce travail cherche à identifier la combinaison de processus hydrogéologiques (géogénique, biotique et abiotique) à l’origine des diverses sources minérales, thermales ou gazeuses. Une approche multi-traceurs combinant des outils géochimiques, isotopiques et gazeux a été développée afin d’identifier la nature et la durée des interactions eau-roche de ces gisements. Sur les 22 sources sélectionnées et localisées à l’interface des trois unités géologiques régionales (granitique, métamorphique et sédimentaire), les ions majeurs, les isotopes stables de la molécule d’eau (δ 18O, δ 2H) ont été prélevés mensuellement, les gaz nobles et réactifs trimestriellement et un unique prélèvement pour les éléments traces, 3H, 34S, 87Sr, 14C/13C, CFC/SF6. Ce suivi de 15 mois a permis d’attester de la stabilité chimique, gazeuse et isotopique de l’ensemble des eaux thermo-minérales étudiées, de caractériser la géochimie des eaux minérales froides ou thermales (>20°C), d’identifier leur gamme de minéralisation (150 à 12 000 µS/cm) et de reconnaitre 5 faciès hydrochimiques (Na-HCO3, Na-Cl, Ca-HCO3, Na-Ca-HCO3, Ca-HCO3-SO4). Les isotopes stables ont permis de calculer une altitude de recharge supérieure à 800 m pour les eaux circulant dans le socle granitique et une large disparité dans les altitudes de recharge (de 200 à 950 m) pour les eaux circulant dans les roches métamorphiques. A contrario, les sources se situant dans la plaine sédimentaire indiquent une recharge autochtone de basse altitude (98%vol.) pour les eaux au faciès Ca-HCO3 et Na-Cl émergeant en Castagniccia et au sud de la plaine ; • un fort taux d’H2S (de 1%vol. à 37%vol.) a été mesurée sur les eaux au faciès Ca-HCO3-SO4. Cette abondance gazeuse est issue de la dégradation bactérienne de la matière organique présente dans les marnes noires, ce qui a été corroboré avec la signature contrastée en δ34S (6 < δ34S-SO4 (‰) < 8.7 et - 25.8 < 34S- H2S < -19.1) et en milieu extrêmement réducteur comme l’atteste la forte teneur en CH4 (de 6 à 80%vol.). De par la signature en δ87Sr bien contrastée entre les roches encaissantes (de 0,707 à 0,755), la signature de l’eau (0,709 à 0,720) met en évidence des mélanges complexes pour les sources de Vignola et Fontanella dont les eaux transitent en plus dans les flyschs. Les géothermomètres (Na/K, K-Mg, Na/Li, δ18O-SO4) confirment les fortes profondeurs de circulation (>3 km) impliquées dans l’émergence des eaux hyperthermales (Pietrapola). Le carbone-14 montre des âges relativement anciens d’environ 10 000 ans pour Pietrapola et autour de 5000 ans pour Puzzichellu. Les faibles teneurs en 3H montrent des processus de mélange entre des eaux anciennes et modernes au sein des sources carbogazeuses et de Puzzichellu. La combinaison des traceurs géochimiques, isotopiques et gazeux sélectionnés s’est révélée être un puissant outil pour élaborer un modèle conceptuel hydrogéologique régional du fonctionnement des sources minérales complexes. Ce modèle apporte des éléments scientifiques indispensables à la gestion pérenne de ces ressources exceptionnelles et diversifiées.

In Corsica, thermo-mineral waters were intensively exploited from 1840 to 1914. Their chemical and gaseous diversity have always been favourable to therapeutic or recreational uses. Even if this activity has declined since the World War I, there is a singular hydrogeological potential and the question of reexploiting certain sites is currently being considered. This study area is located on the Eastern part of the island, where the highest diversity of springs is observed, including the sites of Orezza, Pietrapola, Puzzichellu and some related springs. This work aims to identify the combination of hydrogeological processes (geogenic, biotic and abiotic) at the origin of the various mineral, thermal or gaseous springs. A multi-tracer approach combining geochemical, isotopic and gaseous tools has been developed to identify the nature and duration of water-rock interactions in mineralisation. On the 22 selected springs, located at the interface of the main regional geological units (granitic, metamorphic and sedimentary), major ions, stable isotopes of the water molecule (δ 18O, δ 2H) were sampled monthly, noble and reactive gases quarterly and a single campaign for sampling trace elements, , 3H, 34S, 87Sr, 14C/13C, CFC/SF6. This 15-month monitoring attests the chemical, gaseous and isotopic stability of thermo-mineral waters studied. Geochemistry of cold or thermal mineral waters (>20°C) was characterized and have a large range of mineralisation (150 to 12,000 µS/cm) and 5 water types were identified (Na-HCO3, NaCl, Ca-HCO3, Na-Ca-HCO3, Ca-HCO3-SO4). Recharge altitude was evaluated from the water stable isotopes, with an elevation higher than 800 m for water flowing in the granitic basement and between 200 and 950 m for water flowing in the metamorphic part. On the other hand, springs located in the sedimentary plain indicate an autochthonous recharge at low altitude (98%vol.) in carbo-gaseous waters with a Ca-HCO3 and Na-Cl water type, emerging in Castagniccia and in the southern part of the plain; - a high level of H2S (from 1%vol. to 37%vol.) was measured in the springs with Ca-HCO3-SO4 water type. This gaseous abundance is derived from bacterial degradation of organic matter present in black marls, it was corroborated with the contrasted δ34S signature δ 34S (6 < δ 34S-SO4 (‰) < 8.7 et -25.8 < 34S- H2S < -19.1). The strong reducing environment is underlined by the high CH4 content (from 6 to 80%vol.). The well-contrasted δ87Sr signature between the surrounding rocks (from 0.707 to 0.755) and the water signature (0.709 to 0.720) highlight a very complex mixing processes for the Vignola and Fontanella springs, flowing from the granitic part to the flyschs layers. Geothermometers (Na/K, K-Mg, Na/Li, δ18O-SO4) confirm the circulation depth (>3 km) involved in the emergence of hyperthermal waters (Pietrapola). The carbon-14 attests of high residence time, close to 10 000 years for Pietrapola and around 5 000 years for Puzzichellu. The low 3H contents detected in the carbogaseous and Puzzichellu springs display mixing processes occurring between old and modern waters. The combination of the selected geochemical, isotopic and gaseous tracers is a powerful tool to elaborate a regional hydrogeological conceptual model of complex mineral waters emergences. This model provides scientific elements crucial for a sustainable management of these exceptional water resources.