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Traçage Isotopique ( Cl, He, U) Et Modélisation Hydrogéologique

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Traçage Isotopique ( Cl, He, U) Et Modélisation Hydrogéologique Aix Marseille Université Ecole doctorale Sciences de l’Environnement (ED251) Laboratoire CEREGE THESE DE DOCTORAT Discipline : Geosciences de l’environnement présentée pour obtenir le grade de Docteur en Sciences de l’Université d’Aix-Marseille par Jade Oriane Petersen Traçage isotopique (36Cl, 4He, 234U) et modélisation hydrogéologique du Système Aquifère du Sahara Septentrional Application à la recharge Quaternaire du Continental Intercalaire Soutenance publique le 02 juillet 2014 Composition du jury : Luc AQUILINA Univ. Rennes 1 Rapporteur Alain DUPUY Inst. Polytech. de Bordeaux Rapporteur Mike EDMUNDS Univ. Oxford, UK Examinateur Philippe NEGREL BRGM, Orléans Examinateur Julio GONCALVES Aix Marseille Univ. Directeur de thèse Pierre DESCHAMPS IRD, Marseille Co-Directeur de thèse 2 Remerciements 1370 jours après la signature du contrat de thèse, l’écriture des remerciements ap- parait comme une tâche libératrice mais préoccupante. D’abord parce qu’on ne sait pas jusqu’où remonter dans le temps ; 3 ans 9 mois et 1 jour ? Ou le jour de l’attribution de la bourse (exactement 4 ans avant ma soutenance de thèse) ? A la soutenance du M2 ? Ou de la L3 ? Le jour où mes pas ont été orientés vers la Licence ST plutôt que SV ? La coutume veut que l’on élude ces interrogations car si on ne sait pas quand, on sait par qui entamer la litanie de la reconnaissance. Généralement les directeurs de thèse apparaissent en premier et non sans raison, puisque tout à fait objectivement, ils ont pu porter le sujet, contribuer à son exploration et récolter les fruits produits. Ensuite, pour tous les autres, les questions s’amoncellent ; dans quel ordre ? La liste sera-t-elle exhaustive, représentative ? Doit-on nommer, laisser penser, regrouper ? Une certitude m’apparait très clairement : des dizaines de personnes ont contribué à cette thèse, modestement ou intensément, par hasard ou par conviction, ponctuel- lement ou dans la durée. D’ores et déjà, à tous ceux-là, j’adresse mes plus sincères remerciements, sans gradation ni fioritures, je n’y serais pas arrivée sans vous. Mais reprenons, précisons tout en laissant une place au doute. Merci à mes deux directeurs donc, qui ont ici inauguré leur "fusion" et qui se sont donnés du mal pour partager leur connaissance, leur force et leurs faiblesses dans un apprentissage qui les concernait aussi (comme HDR conciliant ou comme encadrant qui prend tout à bras le corps). Merci de m’avoir permis de discuter de nos travaux avec la communauté au cours de nombreux déplacements et de découvrir un peu plus la "plurivalence" du monde de la recherche. Avec eux, merci à l’homme de l’ombre (qui n’a pas souhaité faire parti du jury), l’ainé du triumvirat, le chef3 dont on écoute avec attention l’expérience savamment distillée et dont on cherche l’approbation. Merci à ceux qui dans les labos (beaucoup) ou sur le terrain (un peu) se sont montrés patients et généreux, mettant à disposition la part de savoir nécessaire pour mener mes tâches à bien (au CEREGE, en salle blanche pour extraire U et Sr, à la prépara- 3 tion des échantillons aqueux pour ASTER, à la manipulation du TIMS ; à Orsay pour mesurer Br). Merci aux membres du jury pour leurs critiques bienveillantes et les discussions qu’ils ont initiées. Merci aux enseignants qui ont jalonné mes années d’études et qui ont éveillé ma fas- cination pour les éléments chimiques (et particulièrement pour les radioactifs) dans divers milieux et les innombrables applications qui leur ont été associées. Un mot pour les organes qui ont permis de financer des missions de terrain, des ana- lyses ou encore du matériel, dans leur version humaine et institutionnelle, malgré un caractère parfois obscur et bipolaire pour moi. Sur le plan personnel, je remercie ma famille pour ne pas avoir posé trop de ques- tion sur le sens de cette démarche et pour avoir apprécié la soutenance. Je remercie mes amis, qu’ils se soient déplacés ou qu’ils aient pris des nouvelles de cette aventure au fil des ans ou qu’ils aient été là au jour le jour. Les moments difficiles ont consi- dérablement été adoucis par les personnes qui me sont les plus chères, grâce à leur présence et leur mots. Enfin, je tiens à souligner que pendant les derniers instants de cette épopée, se sont renouvelés ou se sont révélées des soutiens sincères et généreux, qui m’ont profondément touchée. 4 Résumé Les préoccupations concernant la disponibilité de l’eau douce (limite supérieure de salinité autour de 3 g l−1) croissent parallèlement à l’explosion du besoin des po- pulations. Les eaux contenues dans les aquifères entre situés entre 0 et 800 m de profondeur représentent le deuxième plus grand réservoir d’eau douce (12%), après les glaciers (76%) et le plus grand réservoir "facilement" exploitable (d’après Ghislain de Marsily, Dominos Flammarion, 1995). Or cette exploitation se traduit par une baisse des niveaux piézométriques, si les prélèvements ne sont pas compensés par la recharge. A cette variabilité "instantanée" du comportement d’un aquifère s’ajoute une variabi- lité climatique sur le long terme qui affecte l’hydrodynamisme sur des périodes allant du millier à la centaine de milliers d’années. Ce travail de thèse propose de caractériser l’évolution d’un grand aquifère (superficie > 106 km2), le Continental Intercalaire (CI) d’un point de vue hydrogéologique et géo- chimique sur plusieurs centaines de milliers d’années. Pour cela, un couplage entre des outils de modélisation hydrogéologique et de traçage géochimique (36Cl, 234U/238U. .) a été mis en oeuvre. En ce qui concerne les réserves, le CI est le principal aquifère du Système Aquifère du Saharan Septentrional (SASS), situé dans une région semi-aride à aride et son existence implique un enregistrement potentiel de la variabilité climatique à grande échelle. Nous nous sommes appuyés sur les définitions existantes de la recharge mo- derne du SASS, nous avons déterminé une valeur cohérente (entre 0 et 6.75 mm an−1 sur la période 2003-2010) à l’aide d’une méthode indépendante basée sur des données de télédection (GRACE) appliquée au SASS et renforcé la compréhension de zones de recharge mal définies dans le Sud Tunisien. L’étude des traceurs isotopiques fournissant un lien évident mais complexe entre les conditions hydrodynamiques présentes et pas- sées, nous nous sommes efforcés d’interpréter les informations paléoenvironnementales apportées par le chlore-36 et l’helium-4. Introduites dans notre modèle hydrogéolo- gique du CI, les données de chlore-36 nous ont permis d’améliorer des hypothèses sur des scénarios de recharge (variant entre 0.5 et 60 mm an−1) sur les huit derniers cycles interglaciaires-glaciaires (0-775 ka). A partir d’informations complémentaires (échantillons d’eau, affleurements, zone climatique) nous avons finalement construit une représentation "hydro-climato-geochimique" du CI. Mots clés Système Aquifère du Saharan Septentrional (SASS), Continental Intercalaire (CI), eaux souterraines, chlore-36, uranium, Recharge, Paléorecharge, Quaternaire. 5 6 Abstract Concerns about freshwater (i.e. salinity below 3 g l−1) availability increase with the rise of populations demands. Groundwater between 0 and 800 m depth is the second largest reservoir of freshwater (12%), after ice sheets (76%) and the largest reservoir of "easily" accessible freshwater (Ghislain de Marsily, Dominos Flammarion, 1995). Rising withdrawal implies a de- crease of piezometric levels in aquifers if the abstraction is not balanced by recharge. Furthermore, this "instantaneous" variability is complicated by a long-term variability that impacts hydrodynamics on timescales of thousands to hundred of thousands of years. This study characterizes the evolution of a large aquifer (extending over 106 km2), the Continental Intercalaire (CI), from hydrogeological and geochemical viewpoints, over several hundreds thousand years. For this purpose, we combined hydrogeologic modeling and geochemical tracing methods (36Cl, 234U/238U. .). The CI is the main aquifer of the North Western Saharan Aquifer System (NWSAS). Located in a semi-arid to arid region, its presence suggests potential records of climatic variability on large temporal and spatial scales. Our results corroborate previous as- sessment of the modern recharge, which fluctuates between 0 and 6.75 mm yr−1, over the entire NWSAS. We also improve the understanding of previously poorly characte- rised recharge areas in the South of Tunisia. Isotopic tracers can provide a strong but complex link between past and present hydrodynamic conditions, so we struggled to investigate chlorine-36 and helium-4 paleorecords. In our hydrogeologic model of the CI, chlorine-36 data allowed us to propose some hypotheses about recharge scenarios (varying between 0.5 and 60 mm yr−1) during height of the last interglacial-glacial cycles (0-775 ky). By using multi-scale information (groundwater samples, outcrops and climatic areas), we developed a "hydro-climatic-geochemical" representation of the CI. Key words North Western Saharan Aquifer System (NWSAS), Continental Intercalaire (CI), groundwaters, chlorine-36, uranium, Recharge, Paleorecharge, late Quaternary. 8 Introduction 15 La ressource en eau . 15 Lien hydrogéologie-géochimie des eaux souterraines . 17 Problématique générale et développement du manuscrit . 20 1 Etat de l’art 23 1.1 Description géologique du CI . 26 1.1.1 Limites et affleurements du CI . 28 1.1.2 Données lithologiques et géochimiques déduites des forages . 31 1.1.3 Géométrie des réservoirs . 36 1.2 Etat de la connaissance du bilan d’eau du CI . 39 1.2.1 Précipitation, ruissellement et évapotranspiration : l’eau poten- tielle . 39 1.2.2 Historique de la caractérisation de la recharge du CI . 43 1.2.3 Fonctionnement hydrodynamique du CI . 44 1.3 Modélisation hydrogéologique et paramétrisation du CI . 50 1.3.1 Conceptualisation du CI et calage en régime permanent . 50 1.3.2 Particularités de la conceptualisation du Dahar et l’exutoire de Gabès .
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