Le Karst : un aquifère original

Publié par Encyclopédie Environnement, le 14 avril 2020   630

Xl karst

Le karst continue d’attirer l’imaginaire de l’homme, autant parce qu’il reste l’un des très rares milieux de la Terre offrant des possibilités de découverte aux explorateurs, que parce qu’il est le sujet de fantasmes inspirant poètes et personnages en mal de magie. Certains pensent que ce n’est pas un « véritable » aquifère, que ses sources ne sont pas de « vraies » sources et qu'il ne faut pas se fier à ses eaux souterraines, souvent polluées. Et pourtant, près de 10 % de la population mondiale tire son eau potable du karst : 127 milliards de m3 d’eau souterraine sont extraits chaque année des aquifères karstiques, soit 13 % des prélèvements mondiaux d’eau souterraine. En France, près de 30 % des besoins en eau potable sont satisfaits grâce au karst. Paris, Le Havre, Rouen, Montpellier, Nice, Besançon sont alimentées, au moins partiellement, en eau potable extraite du karst.  

 

Le karst, un système hydrogéologique complexe

Le karst est un milieu très particulier, dans des roches sédimentaires que l’eau d’infiltration peut dissoudre, surtout les roches carbonatées, calcaires et dolomies, comme les Causses, le Jura ou le massif du Vercors. On peut en voir un superbe exemple dans le film "Jura : le temps d'une montagne".  Dans ces roches, la complicité du gaz carbonique produit dans les sols ou remontant des profondeurs amène l’acidité nécessaire à leur dissolution par l’eau d’infiltration. Ceci crée un ensemble de formes particulier, dénommé karst, marqué en surface par des dépressions et l’absence de cours d’eau, et en profondeur par des grottes et des rivières souterraines à l’origine de sources souvent spectaculaires. C’est surtout le karst des calcaires et des dolomies qui retient l’attention des hydrogéologues, car l’eau qu’il contient est directement utilisable et consommable ; celle du karst des roches évaporites est trop chargée en sels dissous, qui la rendent impropre à tout usage.

 

Bloc diagramme conceptualisant l'organisation des vides karstiques dans un aquifère carbonaté

   

En plusieurs millénaires, ce processus a creusé suffisamment de vides organisés en réseau drainé par une source, pour que la roche se transforme en un aquifère doté d’une forte perméabilité. Ces vides, parfois pénétrables par l’homme, constituent une excellente capacité de stockage. Ces caractéristiques permettent un bon renouvellement des réserves à l’échelle du cycle hydrologique. Cependant, le débit des sources comme le niveau de l’eau souterraine varie beaucoup en fonction des précipitations, du fait de cette hétérogénéité. Il est courant que des aquifères karstiques possèdent des réserves renouvelables de l’ordre de plusieurs dizaines de millions de m3, pour une étendue de leur zone d’alimentation de l’ordre de quelques centaines de km2 et un débit moyen de leur source de l’ordre de quelques m3/s. Ces propriétés font donc a priori du karst un excellent aquifère permettant d’alimenter en eau de grandes agglomérations.

 

Le captage des eaux du karst

Quand le captage de l’eau peut être fait dans le conduit principal aboutissant à la source, bien au-dessous de son niveau, il est possible d’extraire l’eau par pompage à un débit proche du débit moyen en abaissant progressivement le niveau des réserves. Ceci permet de réguler le débit sortant en prélevant l’eau des réserves ; les pluies rechargent ensuite aisément l’aquifère. Cette technique de gestion active de l’aquifère a été mise en œuvre depuis 40 ans à la source du Lez, pour alimenter l’agglomération montpelliéraine, sans aucune marque de surexploitation des réserves. Dans le monde, d’autres sites utilisent la même technique, sans toujours bien contrôler les prélèvements par rapport à la recharge, ce qui peut conduire à une diminution des réserves et causer des difficultés d’approvisionnement en eau, accentuées par le changement climatique.  

 

Coupe présentant le captage de la source du Lez. Les effets des pompages ont pour conséquence une diminution des réserves de l'ordre de quelques dizaines de millions de m3, reconstituées rapidement par les premières pluies d'automne (© M. Bakalowicz)


La fragilité des systèmes karstiques

Ces caractéristiques font que cet aquifère pose des problèmes aussi bien théoriques que pratiques. Tout d’abord, du fait qu’il évolue rapidement à l’échelle des temps géologiques, le karst s’adapte aisément aux changements des paysages et du climat, qui varient sans cesse dans l’histoire de la Terre. Par exemple, les variations du niveau des mers imposées par l’alternance des périodes glaciaires et interglaciaires au Quaternaire sont à l’origine de l’enfoncement des vallées ; les mouvements de surrection ou d’enfoncement des massifs montagneux jouent le même rôle. Par conséquent, chaque ensemble karstique est composé d’un emboîtement de formes et de conduits, contenant des sédiments variés, résultant chacun d’une adaptation à un niveau de base fixé par la mer ou un fleuve.  

Ainsi, certains karsts méditerranéens sont constitués de réseaux de drainage hérités de la fin du Tertiaire, il y a environ 5 millions d’années, et sont encore partiellement fonctionnels hydrologiquement ; ils ont acquis une complexité unique du fait d’un événement géologique propre à la Méditerranée : la Crise Messinienne de Salinité qui abaissa le niveau de la Méditerranée d’au moins 1500 m sous le niveau actuel ; elle fut causée par l’évaporation qui n’était plus compensée par les apports d’eau de l’Atlantique pour cause de fermeture des détroits reliant la mer à l’océan. Une reconstitution fine de l’histoire géologique permet de caractériser la structure d’un karst particulier et de comprendre son fonctionnement et ses propriétés.  

Les hydrogéologues ont recours à des modèles mathématiques pour simuler le fonctionnement des aquifères et prédire les effets du climat ou de prélèvements par pompage. Ces modèles classiques, maillés, ne peuvent pas rendre compte du fonctionnement des aquifères karstiques, car ils sont incapables de prendre en compte leur forte hétérogénéité. Les modèles à réservoirs, moins gourmands en données de calage, permettent de simuler de manière à peu près satisfaisante l’évolution des débits des sources en fonction des conditions climatiques. Mais on n’en est pas encore à prédire correctement par modèle les effets de pompages de longues durées sur l’ensemble de la nappe.  

En pratique, alors que les forages dans les aquifères poreux présentent des caractéristiques permettant de prédire l’ordre de grandeur de débits d’exploitation, les forages dans le karst sont en général hasardeux. Nombreux sont ceux dont on extrait de faibles débits, souvent avec de très forts rabattements. Cependant, de rares forages, recoupant un drain majeur, offrent des débits considérables sous de faibles rabattements. Comme il n’existe pas de technique fiable d’identification depuis la surface de ces axes drainants, ce sont les captages de sources, ou juste à leur amont, qui sont les plus sûrs.  

Carte des aquifères karstiques d’Europe [Source : extraite du projet WOKAM (World Karst Aquifer Map – Voir réf[1])].


L’avenir des systèmes karstiques

Depuis les premières reconnaissances spéléologiques, le karst est réputé vulnérable aux pollutions. Au 19e siècle, les avens servaient traditionnellement de décharges, auxquelles s’ajoutait l’absence d’assainissement. De ce fait, on recommanda, partout où cela était possible, de ne pas capter l’eau souterraine du karst pour les adductions d’eau potable. Même si l’on considère toujours avec une certaine suspicion la vulnérabilité du karst, la situation et l’état des connaissances ont bien changé. Avec des conditions d’assainissement et de mise en décharge plutôt bien contrôlées, les risques de contamination sont réduits. En outre, on sait maintenant que, comparé aux aquifères poreux, où le temps de renouvellement est en général bien supérieur à l’année, le karst est soumis à un renouvellement rapide, annuel, qui ne permet pas d’effet cumulatif des pollutions chroniques, comme celles dues aux pratiques agricoles.  

Les recherches sont actuellement très actives dans le monde et particulièrement en Europe sous l’impulsion d’équipes universitaires allemandes et françaises, impliquées dans un programme international visant à mieux connaître et maîtriser les aquifères karstiques, notamment autour de la Méditerranée (KARMA project). En France, un réseau national d’observation des aquifères karstiques rassemble toutes les équipes de recherches concernées en mettant en commun toutes les données disponibles (Service National d’Observation du Karst : https://sokarst.org/) afin d’orienter plus efficacement les recherches.

 

   


*Image de couverture : La Foux de la Vis, l'une des grandes sources karstiques drainant le causse du Larzac, en condition de débits de printemps, le 1er mars 2020.  (© M. Bakalowicz)



Ce billet, tiré de l’article "Le karst, ressource en eau renouvelable dans les roches calcaires", a été proposé par Michel Bakalowicz, ancien Directeur adjoint du Centre Régional de l’Eau et de l’Environnement (CREEN), actuellement retraité et chercheur associé à Hydrosciences Montpellier.