UNIVERSITE DE NEUCHATEL CESTIRE DHYDROGEOLXXjIE DE L'INSTITUT DE GEOLOGIE CONTRIBUTION A L'ETUDE DES EAUX SOUTERRAINES DE LA REGION DE FRIBOURG (SUISSE OCCIDENTALE) THESE présentée à la faculté des Sciences de l'Université de Neuchâtel pour l'obtention du grade de Docteur es Sciences par Joseph THIERRIN Hydrogéologue originaire de Cheiry (Suisse) Soutenue le 22 octobre 1990 devant le Jury d'Examen: MM. F. ZWAHLEN Professeur, Université de Neuchâtel Président A. BURGER Professeur honoraire, Université de Neuchâtel Président H. OESCHGER Professeur, Université de Berne Expert B. KUBLER Professeur, Université de Neuchâtel Expert W. BALDERER Professeur, Polytechnicum de Zurich Expert IMPRIMATUR POUR LA THESE Contribution .dA..J..3...Mg.ÌM...d.e.Jr.ibmi^.J.S.u.lsse...Qcc.i.denta.leJ de M.Qnsleur...Joseph.Ihler.r.in. UNIVERSITE DE NEUCHATEL FACULTÉ DES SCIENCES La Faculté des sciences de l'Université de Neuchätel sur le rapport des membres du jury, Messieurs F..Z.wah ....., H. OeschgerJßerneJ.et .............. Zurich).................................................................................................................. autorise l'impression de la présente thèse. Neuchâtel.le.....6..no.venibre J.99.Q................................................... Le doyen : / . Mermod 4 REMERCIEMENTS Ce travail étant terminé, j'ai l'agréable tâche de témoigner ma reconnaissance aux nombreuses personnes qui, de près ou de loin, ont contribué à sa réussite. MM les professeurs A. Burger, ancien directeur du Centre d'hydrogéologie (CHYN) et F. Zwahlen, actuel directeur ont accepté la direction de cette thèse. Ils m'ont permis d'utiliser toute l'infrastructure du CHYN et du Centre de calcul de Neuchâtel et ont facilité les contacts avec d'autres Instituts. Je les remercie d'avoir suivi cette étude avec grand intérêt et de m'avoir prodigué de judicieux conseils. MM les professeurs H. Oeschger, directeur de la division de physique du climat et de l'environnement de l'Institut de Physique de l'Université de Berne, B. Kubier, directeur de l'Institut de géologie de Neuchâtel et W. Balderer de l'Institut de Géologie de l'Ecole polytechnique fédérale de Zurich ont accepté de faire partie du jury de thèse. Ils ont lu et critiqué ce travail avec enthousiasme. Je leur exprime ici toute ma reconnaissance. Mes remerciements vont aussi à monsieur le professeur I. Müller du CHYN pour ses bons conseils, l'appui moral et logistique VLF-R1 tout au long de l'étude, ainsi qu' au Dr M. Bouzelboudjen du CHYN et à Mr U. Schotterer de l'Institut de Physique de l'Université de Berne qui ont Iu cet ouvrage et apporté des critiques et suggestions constructives. Grand merci aussi aux responsables qui ont ouvert les portes de leurs laboratoires et aux personnes qui y ont assuré les analyses des eaux. Au LASUR de l'Université de Neuchâtel, dirigé par le professeur B. Kubier et le Dr C. Beck, Mme N. Ettlin-Tong aidée par Mme I. Rengli s'est chargée, depuis octobre 1986, des analyses des éléments chimiques principaux. A la division de physique du climat et de l'environnement de l'Institut de Physique de l'Université de Berne, MM U. Schotterer et K. Hänni et Mme-T. Riesen se sont chargés des analyses isotopiques de 3H, 18O et 14C. A l'Institut de Chimie pharmaceutique de l'Université Wilhems de Münster en Allemagne, dirigé par Ie professeur B. Unterhalt, MM Y. Lavanchy, J. Böckmann et H. Lahl ont procédé aux analyses d'éléments trace de l'eau (Li+, Sr++, Ba++, Zn++ et Fe++). Je témoigne mon amitié à tous mes collègues de travail de Neuchâtel et de l'Institut de Physique de l'Université de Berne pour les bons moments passés ensemble et les échanges scientifiques. Je pense particulièrement à A. Bapst, C. Beck, M. Bouzelboudjen, A. Dodo, R. Christe, L. Eisenlohr, P.-A. Grétillat, R. Kozel, Y. Lavanchy, Y et V. Rossier, U. Schotterer, V. Schouwey, G. Souma L. Tacher, P. Turberg, F.-D. Vuataz et à tous les autres. Un grand merci aux responsables des eaux souterraines de 52 communes, consortiums et entreprises de toute Ia région d'étude qui ont bien voulu m'accompagner aux captages et m'ouvrir leurs dossiers. Parmi ceux-ci, Mr F. Liaudat, directeur des Services industriels de Fribourg, a suivi avec grand intérêt mes études dans la région de Ia Tuffière et de la Hofmatt. II a favorisé quelques investigations particulières par un appui logistique et financier. And last but not least, la famille! Mon épouse Gisèle, Raphaël qui nous a offert ses premiers sourires au début du travail de rédaction, mes parents, frères et soeurs et beau parents: Merci immense de leur présence, leurs encouragements et leur soutien. Depuis 1986, ce travail s'est déroulé grâce à l'appui financier du Fonds National de Ia Recherche, projets ISHYDRO No 2.121-0.86 et 2.834-0.88, requis par les professeurs F. Zwahlen, H. Oeschger et A. Burger. Contribution à l'étude des eaux souterraines de la région de Fribourg 5 RESUME Ce travail poursuit deux objectifs majeurs. D'une part, nous décrivons les principales caractéristiques physico-chimiques et isotopiques (1^O et ^H) des eaux souterraines de la région située entre les Préalpes fribourgeoises et le lac de Neuchâtel. D'autre part, l'étude des mécanismes d'écoulement souterrain à l'aide de ces informations et d'autres méthodes d'investigation indirectes est appréhendée. Une première partie traite des eaux liées au substratum molassique du Plateau au sein duquel nous distinguons deux types principaux d'aquifere. Le premier, dit aquifère épidermique est essentiellement tributaire de systèmes d'écoulement locaux. Il contient des eaux dont les caractéristiques se rapprochent des eaux bicarbonatées calciques et magnésiennes issues du Quaternaire sus-jacent et dont le temps de séjour souterrain moyen est habituellement compris entre 5 et 15 ans. Le deuxième type d'aquifere dit profond contient des eaux anciennes très particulières, exemptes de Tritium, qui s'écoulent au sein de systèmes régionaux. La deuxième partie fait l'objet de l'étude hydrogéologique de l'aquifère de la Tuffière situé en milieu Quaternaire et alimenté à part égale par le lac de barrage de la Gruyère et les infiltrations locales. Cette étude se base sur les données de la géologie du Quaternaire, des investigations géophysiques (géoélectrique et électromagnétique VLF-R), de l'hydrodynamique et des caractéristiques hydrogéochimiques et isotopiques. Dans la troisième partie, on décrit les caractéristiques physico-chimiques et isotopiques des eaux souterraines dans un cadre régional (eaux du Quaternaire, de la molasse et de diverses formations des Préalpes) mais aussi local (comportement et évolution de ces principaux paramètres dans des aquifères représentatifs). Nous tentons de tirer de cette étude des informations sur l'origine et la provenance de l'eau souterraine, son temps de séjour souterrain (à l'aide du Tritium, de l'*^0, et de la chimie), sa vitesse de déplacement ainsi que les proportions de mélanges entre divers types ou composantes d'eau. ABSTRACT The first objective of this study is to describe the principal characteristics of the groundwaters in the region situated between the Prealps of Fribourg and the Lake of Neuchâtel, The second objective is to study the mechanisms of groundwater circulations by using indirect investigation methods, in particular the physico-chemical and isotopie approach. First, we describe the groundwaters of the Plateau molassic substratum in which there are two general types of aquifer. The shallow aquifer is mainly fed by local flow systems. The characteristics of its groundwaters are very close to those of the overlying quaternary deposits fCa - (Mg) - HCQ3 waters with mean residence time between 5 and 15 years). The second one is the deep aquifer, fed by regional flow systems, with ancient (no Tritium) and very typical waters. The second part of this work is the hydrogeological study of the Tuffière aquifer (sand and gravel), fed in a mean proportion of 45% by the artificial lake of Gruyère. The study is based on data from quaternary geology, geophysical investigations, hydrodynamics and hydrogeochemical and isotopie data. In a third part, we describe the physico-chemical and isotopie characteristics of the groundwaters in a regional geological framework (Quaternary deposits and molasses of the Plateau, flyschs, limestones, marls and evaporites of the Prealps), but in a local framework as well (behaviour and evolution of these principal parameters in typical and representative aquifers). From this study, we may deduce information about the origin of groundwater, its mean residence time (by Tritium, 1^O and chemical methods), its travel velocity and the mixing proportions between several water-types or components. Contribution à l'étude des eaux souterraines de la région de Fribourg 6 Plan PLAN Page REMERCIEMENTS.....................................................................................4 RESUME..................................................................................................S ABSTRACT...............................................................................................5 PLAN......................................................................................................6 LISTE DES FIGURES...............................................................................1 1 LISTE DES TABLEAUX.............................................................................IS INTRODUCTION GENERALE..................................................................1 7 1 Cadre de l'étude...............................................................................................................17 2 Objectifs de l'étude.........................................................................................................18 3 Structure du travail....................................;..................................................................21 4 Présentation du terrain................................................................................................21 4.1 Situation géographique et occupation du sol...............................................21 4.2 Données météorologiques et climatiques......................................................25 4.3 Hydrologie..............................;...........................................................................26 5 Géologie et subdivisions hydrogéologiques..............................................................26 5.1 Le Quaternaire...................................................................................................28 5.2 Le bassin molassique........................................................................................31 5.3 Les Préalpes et le front des Préalpes.............................................................32 PREMIERE PARTIE...............................................................................3 7 LES EAUX DU SUBSTRATUM MOLASSIQUE...............................................3 7 Résumé.................................................................................................3 7 1 Introduction...................................................................................................................37 2 L'eau des aquifères profonds de la molasse..............................................................38 2.1 Exemples d'eaux de la molasse sur le terrain étudié...................................38 2.2 Interprétation...................................................................................................40 2.3 Autres cas semblables cités dans la littérature..........................................,.41 2.4 Discussion.............,.............................................................................................42 3 Les aquifères épidermiques du Burdigalien.............................................................43 3.1 Les captages "traditionnels" dans Ie Burdigalien.......................................43 3.2 Qualité physico-chimique des eaux................................................................44 3.3 Relations hydriques entre molasse et Quaternaire.....................................46 4 Les captages d'eau potable dans le Burdigalien.......................................................46 4.1 Paramètres de l'aquifère..................................................................................46 4.2 Etude géochimique et isotopique des eaux du Burdigalien........................48 Contribution à l'étude des eaux souterraines de la région de Friborg Plan 7 5 Captage dans la ville de Wabern près de Berne........................................................50 6 Perspectives de captage des eaux de la molasse........................................................51 6.1 Considérations générales..............................................................»..................51 6.2 Carte des zones favorables...............................................................................51 7 Conclusions.....................................................................................................................53 DEUXIEME PARTIE...............................................................................5 5 HYDROGEOLOGIE DE LA REGION DE LA TUFFIERE (FR)............................5 5 Résumé.................................................................................................55 1 Introduction....................................................................................................................55 1.1 Le terrain............................................................................................................57 1.2 Les sources de la région de la Tuffière..........................................................58 2 Historique........................................................................................................................59 2.1 Les anciennes exploitations............................................................................59 2.2 La mise en eau du lac de barrage de la Gruyère..........................................59 2.3 Le captage des exutoires naturels de l'aquifère...........................................61 2.4 Exploitation des graviers..................................................................................63 2.5 Etudes géotechniques, géophysiques et hydrogéologiques.......................64 3 Description des terrains...............................................................................................65 3.1 Géologie, géométrie et rôle aquifère des terrains.......................................66 3.2 Géométrie du système........................................................................................78 3.3 L'étude géophysique VLF-R 12-240 KHz........................................................79 4 Ecoulements souterrains..............................................................................................89 4.1 Piézométrie.........................................................................................................89 4.2 Paramètres de l'aquifère..................................................................................89 4.3 Débits aux zones sourcières de la Baume et des SIFR...................................91 4.4 Débits à la zone sourcière du Grabe................................................................97 4.5 Alimentation.....................................................................................................100 4.6 Stockage et réserves........................................................................................106 4.7 Bilan...................................................................................................................108 4.8 Conclusion.........................................................................................................109 5 Etude physico-chimique et isotopique des eaux....................................................111 5.1 Types d'eau et mélanges.................................................................................111 5.2 L'eau d'infiltration locale "directe".............................................................112 5.3 L'eau d'infiltration locale "retardée"...........................................................116 5.4 L'eau du lac de la Gruyère..............................................................................119 5.5 Les eaux d'origine mixtes aux sources SIFR et Baume..............................125 5.6 Apport du traçage physico-chimique et isotopique des eaux à la connaissance du système de la Tuffière............................................................133 6 Considérations concernant la gestion du système.................................................134 6.1 Alimentation artificielle................................................................................135 Contribution à l'étude des eaux souterraines de la région de Friborg 8 Plan 6.2 Amélioration des conditions d'alimentation de l'aquifère par le lac.............................................................................................................................135 6.3 Captage des sources de Ia Baume...................................................................135 6.4 Captage des eaux de l'interglaciaire............................................................135 6.5 Captage des eaux du sillon d'IIIens...............................................................136 6.6 Conclusion........................................................................................................136 7 Conclusion.....................................................................................................................137 TROISIEME PARTIE...........................................................................1 3 9 EAUX SOUTERRAINES DE LA REGION SITUEE ENTRE LES PREALPES FRIBOURGEOISES ET LE LAC DE NEUCHATEL.........................................139 Résumé...............................................................................................139 1 Introduction.................................................................................................................140 1.1 Principales caractéristiques des eaux.........................................................140 1.2 Bibliographie...................................................................................................141 1.3 Réseaux d'échantillonnage...........................................................................141 1.4 Zonation géologique et hydrogéochimique du terrain............................142 1.5 Caractéristiques hydrodynamiques.............................................................143 2 Description des observations physico-chimiques.................................................145 2.1 La température................................................................................................145 2.2 La conductibilité électrique, la dureté totale et Ie TAC.............................145 2.3 pH et indice de saturation vis à vis de la calcite........................................152 2.4 Les cations alcalins Li+, Na+ et K+................................................................156 2.5 Les cations alcalino-terreux Mg++, Ca++, Sr++ et Ba++.............................160 2.6 L'ion NO3-..........................................................................................................167 2.7 L'ion SO4".........................................................................................................167 2.8 Les anions F- et CI-..........................................................................................169 2.9 La silice dissoute, SÌO2.....................................................................................173 3 Corrélations entre paramètres physico-chimiques..............................................173 3.1 Relations K20 - Dto - Ca++et K20 - TAC.........................................................175 3.2 Relations NO3- - CI" - (K20 - Dto)..................................................................177 3.3 Relation SO4" - Sr++.......................................................................................178 3.4 Relations entre Mg++, Li+, Ca++/Mg++, SÌO2 (et F")...................................179 3.5 Relation Li+ - SO4" et Li+ -F".......................................................................182 4 Facteurs d'influence de la qualité des eaux............................................................182 4.1 Nature du squelette minéral dissous............................................................182 4.2 Les échanges ioniques entre l'eau et la roche..........................................183 4.3 L'influence des activités anthropogènes...................................................184 4.4 Les variations temporelles des entrées et de l'état dynamique..............186 4.5 L'enrichissement ou la dégradation des paramètres observés...............186 Contribution à l'étude des eaux souterraines de la région de Friborg Plan 9 4.6 Le temps de séjour souterrain.......................................................................186 4.7 Les interactions avec les eaux de surface...................................................186 5. Isotopes 18O et 3H: description et interprétation..................................................187 5.1 Les entrées........................................................................................................187 5.2 Relation entre l'altitude et le 3180................................................................189 5.3 Possibilité de définir un temps de séjour moyen à l'aide de 1'180...........194 5.4 Tritium: Détermination de temps de séjours souterrain...........................199 5.5 Relation entre séjour souterrain (3H) et chimie des eaux.......................199 5.6 Temps de séjour souterrain et volume des réserves..................................200 5.7 Conclusion de l'étude isotopique...................................................................200 6 Evolution temporelle des caractères physico-chimiques et isotopiques...........201 6.1 Introduction.....................................................................................................201 6.2 Source A2 à Oleyres: Aquifère épidermique de la molasse.......................203 6.3 La source d'Onnens: Aquifère épidermique de la molasse.......................207 6.4 La source G3 du Graboz à la Tuffière: Sillon graveleux............................209 6.5 La source SZ à Schwarzenburg: Terrasse graveleuse...............................213 6.6 La source PA des Haches: Alluvions graveleuse........................................217 6.7 La source de Ia cascade de Jaun: Karst des Préalpes..................................221 6.8 Conclusion.........................................................................................................223 7 Conclusion.....................................................................................................................225 SYNTHESE............................................................................................227 Caractéristiques des eaux souterraines.......................................................................227 Comportement et signification des traceurs naturels.............................................229 BIBLIOGRAPHIE..................................................................................2 33 BIBLIOGRAPHIE INEDITE.....................................................................241 Annexe A: LA METHODE VLF-RESISTIVITE MULTIFREQUENCE..2 4 3 Résumé...............................................................................................243 1 INTRODUCTION...............................................................................................................243 2 PRINCIPE DE LA METHODE VLF-R MULTIFREQUENCE..............................................245 3 ALTERATIONS NATURELLES OU ARTIFICIELLES DES MESURES.............................246 3.1 L'effet topographique.....................................................................................246 3.2 La polarisation naturelle...............................................................................246 3.3 Les perturbations artificielles......................................................................247 4 MESURES PLURI-DIRECTIONNELLES..........................................................................248 5 METHODES D'INTERPRETATION 1-D (STRATIGRAPHIE)...........................................248 5.1 La méthode d'inversion électromagnétique...............................................248 5.2 La méthode "MINDEF"......................................................................................249 5.3 La méthode graphique....................................................................................249 Contribution à l'étude des eaux souterraines de la région de Friborg 10 Plan 5.4 Comparaisons des résultats des 3 méthodes d'interprétation..................252 6. DEMARCHE SUIVIE POUR L'INTERPRETATION DES SONDAGES VLF-R..................255 7. CONCLUSIONS................................................................................................................255 Annexe B: METHODES ISOTOPIQUES 180 ET 3H............................2 63 1 INTRODUCTION..............................................................................................................263 2 L'ISOTOPE 18O................................................................................................................264 2.1 Introduction.....................................................................................................264 2.2 Les inputs d'180................................................................................................265 2.3 La relation entre 918O et l'altitude...............................................................266 2.4 Les applications de Ia méthode de T180.......................................................266 3 LA METHODE DU TRITIUM...........................................................................................267 3.1 Introduction.....................................................................................................267 3.2 Les inputs de Tritium......................................................................................267 3.3 Les applications de la méthode du Tritium.................................................269 3.4 Le modèle exponentiel....................................................................................269 Annexe C: METHODES RELATIVES A L'HYDROGEOCHIMIE...........2 73 1 PRELEVEMENTS, MESURES ET ANALYSES.................................................................273 2 CONTROLES DES ANALYSES..........................................................................................273 2.1 Le contrôle de la dureté totale.......................................................................273 2.2 La balance ionique..........................................................................................275 2.3 Echantillons doubles ou multiples...............................................................275 3 CALCUL DES EQUILIBRES CHIMIQUES........................................................................276 4 CLASSIFICATION DES EAUX..........................................................................................276 Annexe D: TABLEAUX.......................................................................2 7 7 Contribution à l'étude des eaux souterraines de la région de Friborg Liste des figures et des tableaux 11 LISTE DES FIGURES INTRODUCTION Fig. 0.1: Région d'investigation du projet "ISHYDRO" ................................18 Fig. 0.2: Coupe géologique à travers le terrain d'investigation......................19 Fig. 0.3: Plan d'ensemble de la région................................................20 Fig. 0.4: Hypsographie de la région...................................................22 Fig. 0.5: Agriculture et utilisation du sol dans la région..............................23 Fig. 0.6: Hauteurs annuelles de pluie en mm, moyenne de 1901 à 1940...............24 Fig. 0.7: Pluies mensuelles moyennes pour la période de 1959 à 1988................25 Fig. 0.8: Pluies annuelles de 1958 à 1988,.............................................26 Fig. 0.9: Terrains à fortes perméabilités de la région.................................27 Fig. 0.10: Coupe géologique au lieu-dit Bertigny ou Creux-d'Enfer..................29 Fig. 0.11: Géologie du substratum de la région........................................30 Fig. 0.12: Stratigraphie de la molasse, d'après HOMEWOOD et al. (1985)...............32 Fig. 0.13: Profil tectonique synthétique à travers les Préalpes romandes...........33 Fig. 0.14: Vanii Noir: lithostratigraphie et caractéristiques physiques..............34 PREMIERE PARTIE Fig. 1.1: Diagramme de SCHOELLER relatif à quatre types d'eau de la molasse.......39 Fig. 1.2: Coupes géologiques schématiques de cinq captages dans la molasse........44 Fig. 1.3: Diagramme de comparaison chimique de l'eau de la molasse...............45 Fig. 1.4: Coupes géologiques schématiques des captages de Matran et de Wabern. - - 47 Fig. 1.5: Logs de quatre paramètres physico-chimiques aux puits de Matran. ------48 Fig. 1.6: Puits de Matran dans les grès du Burdigalien: gradient géothermique.— 49 Fig. 1.7: Carte des zones favorables au captage des eaux de l'OMM...................52 DEUXIEME PARTIE Fig. 2.1: Plan de situation: Région de la Tuffière.....................................56 Fig. 2.2: Relation entre les pluies de Grangeneuve et de Farvagny-le-Grand.......58 Fig. 2.3: Structure de l'aquifère des graviers de la Tuffière..........................60 Fig. 2.4: Plan des captages de la zone sourcière des SIFR à la Tuffière...............62 Fig. 2.5: Schéma d'un drain de captage aux sources SIFR à la Tuffière...............63 Fîg. 2.6: Carte des i so rési stivi tés géoélectriques: Dispositif A-B 200 m............64-65 Fig. 2.7: Coupe géologique d'interprétation à la hauteur des sources du Graboz.— 66 Fig. 2.8: Coupe géologique d'interprétation entre La Léchire et Chavaille..........73 Contribution à l'étude des eaux souterraines de la région de Fribourg 12 Liste des figures et des tableaux Fig. 2.9: Coupe géologique d'interprétation entre La Perrâla et la Baume............74 Fig. 2.10: Coupe géologique d'interprétation de Farvagny-le-Petit à le Montet......75 Fig. 2.11: Coupe géologique d'interprétation dans la région du Trembley...........76 Fig. 2.12: Carte géologique de la région de la Tuffière................................77 Fig. 2.13: Esquisse stratigraphique, dans la région de la Tuffière....................78 Fig. 2.14 a): Profil VLF 1 entre Le Rosset et la Pérrâla...............................82 Fig. 2.14 b): Profil VLF 1 entre Le Rosset et la Pérrâla, détails.......................83 Fig. 2.15: Profil VLF 2 entre Farvagny-le-Pctit et le Montet..........................84 Fig. 2.16: Profil VLF 3 entre Rossens et Farvagny-le-Grand..........................86 Fig. 2.17: Profil VLF 4 entre Farvagny-le-Petit et la Perrâla.........................87 Fig. 2.18: Carte piézométrique de la région des zones sourcières (basses eaux)......90 Fig. 2.19: Sources SIFR: Evolution des débits et de Ia conductibilité électrique.......92 Fig. 2.20: Relation entre les niveaux du lac et les débits totaux aux sources..........93 Fig. 2.21: Corrélation entre le débit des sources de la Baume et des SIFR.............94 Fig. 2.22: Histogrammes des débits (s. SIFR) et des niveaux (lac de la Gruyère)......95 Fig. 2.23: Evolution de la piézométre en amont de Ia zone sourcière du Grabe.......96 Fig. 2.24: Evolution des débits à diverses sources de la zone sourcière du Grabe.....97 Fig. 2.25: Débits classés aux sources du Graboz........................................98 Fig. 2.26: Corrélogrammcs croisés entre pluie et débit à la zone du Grabe...........99 Fig. 2.27: Modèle en coupe au droit des sources du Graboz (réseau et potentiels).- 104 Fig. 2.28: Modèle en coupe au droit des sources du Graboz, détails des potentiels. - 105 Fig. 2.29: Répartition géographique des valeurs physico-chimiques..............110 Fig. 2.30: Analyse factorielle basée sur les valeurs moyennes des paramètres. --- 112 Fig. 2.31: Valeurs moyennes de 9 paramètres aux sources de la zone du Grabe. --- 114 Fig. 2.32: Valeurs moyennes de 11 paramètres aux sources SIFR et de la Baume.-- 118 Fig. 2.33: Lac de la Gruyère: Conductibilité et température de l'eau f(z, t).........120 Fig. 2.34: Lac de la Gruyère: K20 et T° moyennes de l'eau f(z)......................121 Fig. 2.35: Cinq profils de conductibilité électrique des eaux du lac de la Gruyère. 122 Fig. 2.36: Evolution hydrochimique temporelle des eaux du lac de la Gruyère.— 123 Fig. 2.37: Evolution temporelle de Ia K20 et du 31^O aux sources SIFRet au lac.-----124 Fig. 2.38: Eaux de l'aquifère de la Tuffière: Relation entre K20 et N03\............ 127 Fig. 2.39: Eaux de l'aquifère de la Tuffière: Relation entre K20 et S04"............128 Fig. 2.40: Eaux de l'aquifère de la Tuffière: Relation entre K20 et 318O.............130 Fig. 2.41: Diagramme Ca++/Mg++ relatif aux eaux de l'aquifère de la Tuffière.-----132 Contribution à l'étude des eaux souterraines de la région de Fribourg Liste des figures et des tableaux 13 TROISIEME PARTIE Fig. 3.1: Evolution des débits aux sources Schwarzenburg, Payerne et Venoge. —144 Fig. 3.2: Répartition des valeurs de 15 paramètres physico-chimiques........146-147 Fig. 3.3: Concentration de sels et conductibilité électrique de leur solution........148 Fig. 3.4: Relation entre la conductibilité électrique et la somme des ions dissous.-150 Fig. 3.5: Répartition géographique des valeurs de conductibilité électrique.......151 Fig. 3.6: Histogramme de répartition des K20 des eaux souterraines et de surface. 152 Fig. 3.7: Répartition des indices de saturation des eaux vis à vis de la calcite......153 Fig. 3.8: Relation entre Ca++, Dto, TAC et K20 et le pH d'équilibre calculé...........154 Fig. 3.9: Répartition géographique du pH des eaux souterraines et de surface.------155 Fig. 3.10: Répartition géographique du Li+ des eaux souterraines et de surface --157 Fig. 3.11: Répartition géographique du Na+ des eaux souterraines et de surface. - 158 Fig. 3.12: Répartition géographique du K+ des eaux souterraines et de surface..--159 Fig. 3.13: Répartition géographique du Mg++ des eaux souterraines et de surface. 161 Fig. 3.14: Répartition géographique du Ca++ des eaux souterraines et de surface.- 162 Fig. 3.15: Répartition géographique du Sr++ des eaux souterraines et de surface.- 163 Fig. 3.16: Répartition géographique du Ba++ des eaux souterraines et de surface.-164 Fig. 3.17: Répartition géographique du NO3" des eaux souterraines et de surface.-166 Fig. 3.18: épartition géographique du SO4" des eaux souterraines et de surface.--168 Fig. 3.19: épartition géographique du F" des eaux souterraines et de surface......170 Fig. 3.20: épartition géographique du Cl" des eaux souterraines et de surface.-----171 Fig. 3.21: épartition géographique du SÌO2 des eaux souterraines et de surface.—172 Fig. 3.22: Relations entre la K20 et la dureté totale et K20 et la dureté temporaire. 174 Fig. 3.23: Relation entre K20 et Ca++, en fonction de Mg++..........................176 Fig. 3.24: Relation entre les ions Cl" et NO3-, en fonction de K20...................177 Fig. 3.25: Relation entre S04" et Sr+4" dans les eaux des Préalpes fribourgeoises,-178 Fig. 3.26: Valeurs de Mg++ comparé à S04" et Sr++ des eaux minérales de Suisse.- 179 Fig. 3.27: Relations entre les concentrations de Li+, Mg++, F"et S1O2..........180-181 Fig.3,28: Puits de Ecorcheboeuf: Evolution temporelle de K20, Dto et NO3"..........185 Fig.3.29: Evolution du 318O et du 3H dans les pluies à Illens, Payerne et Berne.-----188 Fig.3.30: Evolution temporelle du 318O et du 3H (pluies de Guttannen et Berne)---189 Fig. 3.31: Relation entre 318O et l'altitude des bassins versants des sources........190 Fig. 3.32: Schéma hydrogéologique de la région de la Hofmatt près d'Alterswil,—192 Fig. 3.33: Amortissement calculé de l'amplitude annuelle maximale du 318O.......195 Contribution à l'étude des eaux souterraines de la région de Fribourg 14 Liste des figures et des tableaux Fig. 3.34: Relation entre les A3180 et d'autres paramètres observés aux sources.-- 196 Fig. 3.35: Relation entre les AK20 et d'autres paramètres observés aux sources. -- 197 Fig. 3.36: Relation entre temps de séjour (3H) et 14 param. physico-chimiques-- 198 Fig. 3.37: Corrélogrammes simple et croisé aux sources A2, G3, ON, PA et Cascade. 202 Fig. 3.38: Source A2 à Oleyres: Evolution temporelle des paramètres principaux.- 204 Fig. 3.39: Source A2: Evolution temporelle des paramètres physico-chimiques.— 205 Fig. 3.40: Source ON à Onnens: Evolution temporelle des paramètres principaux.- 206 Fig. 3.41: Source ON: Evolution temporelle des paramètres physico-chimiques,— 208 Fig. 3.42: Source G3 à la Tuffière: Evolution temporelle des param. principaux.--210 Fig. 3.43: Source SZ: Evolution temporelle des paramètres principaux............214 Fig. 3.44: Source SZ: Evolution temporelle des paramètres physico-chimiques.--- 215 Fig. 3.45: Source PA: Evolution temporelle des paramètres principaux............216 Fig. 3.46: Source PA: Evolution temporelle de la K20 et de la T lors de deux crues,- 218 Fig. 3.47: Source PA: Evolution temporelle des paramètres physico-chimiques.--220 Fig. 3.48: Esquisse hydrogéologique et structurale de la région du Vanii Noir.-----221 Fig. 3.49: Source de la Cascade: Evolution de quelques param. lors d'une crue. —222 ANNEXE A Fig. Al: Schéma illustrant le principe dé Ia méthode électromagnétique VLF-R.- 244 Fig. A2: Diagramme polaire des résistivités et des phases sur un dyke conducteur 247 Fig. A3: Sondages de fréquence VLF-R: Terrains à une et deux couches............250 Fig. A4: Sondages de fréquence VLF-R: Terrains à trois et quatre couches.........251 Fig. A5: Sondage de fréquence VLF-R sur terrain à quatre couches (C/R/C/R)---252 Fig. A6: Papier millimétré conçu pour la méthode graphique.....................253 Fig. A7: Test des 3 méthodes d'interprétation des sondages de fréquence VLF-R.--254 ANNEXE B Fig. Bl: Relation entre 3^O et 3^h dans les eaux de précipitation..................264 Fig. B2: Possibilités de déviation .de Ia droite mondiale des eaux météoriques......265 Fig. B3 a): Evolution des teneurs en 3H dans les précipitations de 1950 à 1989.— 268 Fig. B3 b): Valeurs de 3H relatives à plusieurs temps de séjour souterrain........268 Fig. B4: Fonction de distribution des temps de séjour du modèle exponentiel......270 Contribution à l'étude des eaux souterraines de ta région de Fribourg Liste des figures et des tableaux 15 LISTE DES TABLEAUX Tabi. 1: Faciès sédìmcntaires des terrains du Quaternaire de la région étudiée. — 277 Tabi. 2: Chimisme des divers types d'eau de la molasse du Plateau.............278-279 Tabi. 3: Aquifère de la Tuffière: Données essentielles sur les principaux forages. 280 Tabi. 4: Principaux essais de traçage effectués dans l'aquifère de la Tuffière......281 Tabi. 5: La Tuffière: Réserves calculées, relatives aux diverses formations........281 Tabi. 6: Physico-chimie des eaux liées à l'aquifère des graviers de la Tuffière. 282-283 Tabi. 7: Matrice des coefficients de corrélation relatifs aux eaux de la Tuffière.—284 Tabi 8: Campagnes d'échantillonnage de 1985 et 1987, paramètres principaux. 285-292 Tabi 9: Campagnes d'échantillonnage de 1985 et 1987, paramètres secondaires. 293-295 Tabi 10: Tableau des mesures isotopiques relatives aux eaux souterraines.---296-301 Tabi 11: Matrice des coefficients de corrélation linéaires (160 observations)......302 Tabi 12: Matrice des coefficients de corrélation linéaires (118 observations)......302 Tabi 13: Matrice des coefficients de corrélation linéaires (44 observations)......303 Tabi 14: Matrice des coefficients de corrélation linéaires (26 observations)......303 Tabi 15: Matrice des coefficients de corrélation linéaires (15 observations).......304 Tabi 16: Relation entre les 31^O des eaux sout. et l'altitude des bassins versants.—305 Tabi 17: Caractéristiques hydrogéologiques des divers systèmes étudiés...........306 ANNEXE A Tabi. Al: Programmes d'interprétation VLF, Méthode d'inversion.................256 Tabi. A2: Programmes d'interprétation VLF, Méthode "MINDEF"...................257 Tabi. A3: Programmes d'interprétation VLF, Méthode graphique..................258 Tabi. A4: Valeurs des Rhoa et des décalages de phase pour 39 sondages VLF-R.-----259 Tabi. A5: Profondeurs calculées des contacts pour les sondages du tabi A4.— 260-261 Tabi. A6: Test des trois méthodes d'interprétation des sondages VLF-R.............261 ANNEXE C Tabi. Cl: Prélèvements et analyses..................................................275 Tabi. C2 Coefficients de transformation des mg/1 en meq/1 et inversement........276 Contribution à l'étude des eaux souterraines de la région de Fribourg INTRODUCTION GENERALE Introduction générale 17 INTRODUCTION GENERALE 1 Cadre de l'étude Cette étude s'inscrit dans le cadre du projet FN "ISHYDRO: Application hydrogéologique des isotopes et de l'hydrochimie à l'étude des écoulements souterrains". Ce projet de recherche est mené par le Centre d'Hydrogéologie de l'Université de Neuchâtel (CHYN) et le laboratoire de physique de l'environnement et du climat de l'Université de Berne (ZWAHLEN et al. 1990) Les buts de ce projet sont les suivants: Constituer la base d'une étude à long terme des caractéristiques hydrodynamiques, hydrochimiques et isotopiques de certains aquifères, dans le but de mettre en évidence leurs éventuelles évolutions ou modifications, au cas où des changements climatiques rapides surviendraient1. Optimiser les critères d'interprétation des analyses physico-chimiques et isotopiques des eaux souterraines. - Améliorer, au moyen des traceurs naturels, la compréhension des mécanismes d'alimentation, de stockage et de transfert hydrique de divers types d'aquifères fissurés» poreux et mixtes, afin de mieux connaître et protéger les ressources en eau souterraine. Les terrains d'investigation de ce projet se situent dans les régions suivantes (fig. 0.1): - Pied du Jura et Jura vaudois et neuchâtelois - Plateau fribourgeois et vaudois - Préalpes fribourgeoises Le présent travail se réfère à Ia région située entre les Préalpes fribourgeoises et le lac de Neuchâtel. Il concerne essentiellement l'étude d'aquifères en milieu poreux du Tertiaire et du Quaternaire et, à titre comparatif, de quelques aquifères karstiques des Préalpes. En fig. 0.2, nous présentons une coupe schématique de ce terrain, montrant les caractéristiques des principaux types d'aquifères et de leurs eaux. La plupart de celles-ci sont de type bicarbonaté calcique et parfois magnésien. Dans la molasse et certaines formations des Préalpes, d'autres types d'eau apparaissent. Au point de vue climatique, les années d'observation 1985 à 1988 se situent dans une période de pluviosité quelque peu supérieure à la moyenne interannuelle (1095 mm) avec des valeurs respectives de 1170, 1185, 1380 et 1220 mm à la station de Fribourg, au centre de la région d'étude. De même, les températures moyennes annuelles sont supérieures à la moyenne interannuelle de 7.6°C et ont tendance à augmenter (valeurs de 7.6, 8.1, 8.1 et 9.0 de 1985 à 1988 à la station de Fribourg). 1 - En effet c'est depuis moins de 10 ans que l'on se rend compte que le climat global de la planète change. On assiste en général à une augmentation des températures moyennes de l'air et des teneurs moyennes en gaz produisant l'effet de serre, dans l'atmosphère. De plus, dans les régions tempérées, il semble que la distribution temporelle des précipitations change avec une augmentation de l'intensité des épisodes pluvieux et un allongement des périodes de sécheresses. Contribution à l'étude des eaux souterraines de la région de Fribourg 18 Introduction générale FRANCE SUISSE i i i i i i i i ki KCHBLIiKi o 50 100 km Berne Fribourg Genève Lausanne Neuchâtel Source de Payerne Source de Schwarzenburg Source de la Venoge Principaux points d'eau étudiés t Fig. 0.1: Région d'investigation du projet "ISHYDRO". 2 Objectifs de l'étude Dans le cadre du projet ISHYDRO, les objectifs de l'étude physico-chimique et isotopique des eaux souterraines en pays fribourgeois sont les suivants: 1) Description des eaux souterraines de la région d'étude par l'approche physico- chimique (= étude des paramètres physiques et chimiques de l'eau) et isotopique. 2) Etude de certains facteurs d'influence géologiques, hydrologiques et physiques conditionnant les teneurs isotopiques (3H et 18O) et chimiques des eaux souterraines. Etude des dépendances et relations entre divers paramètres physicochimiques et isotopiques de l'eau. 3) Mise en évidence des types de renseignements que peuvent fournir les traceurs physico-chimiques et isotopiques étudiés. 4) Approche des mécanismes d'alimentation, de stockage et de transfert régissant quelques aquifères étudiés, au moyen des traceurs physicochimiques et isotopiques naturels des eaux. 5) Etude des relations entre divers types d'aquifères et particulièrement entre l'encaissant rocheux et les aquifères meubles. 6) Présentation de données constituant une base de références pour l'application des isotopes et de l'hydrochimie à l'étude des écoulements souterrains et à l'interprétation des analyses de routine. Contribution à l'étude des eaux souterraines de la région de Fribourg Introduction générale 19 to ft. O Vi tA Wi U a. "5, 7. a. O fi ans •« V t~, 0. a rJ V W I £ 2 s- ^ s S ¦B. W r' i*? O ? m " ¦m O *i. ? n V m - Ul in V JaOS « Cï ^ 10 I — O — U a ^-v a E >. a g OUI 'riti ¦2 H P ^ I 'eau lem yen m Q -- •o ü E icu U O U >1 n M Ld f- a < -C -1 S o< Sw s 3 'S X D E I ci ! ! m U U H C g .2 'S 1S O 1S E (9 O ó E alp fc. *o U h- Q. O- ^ ±J ^ - W. -$¦¦' I r: — n - - ¦ Fig. 0.2; Coupe géologique à travers le terrain d'investigation et caractéristiques des principaux types d'eau rencontrés (localisation en fig. 0.1 et 0.11). Contribution à l'étude des eaux souterraines de la région de Fribourg 20 Introduction générale Fig 0.3: Plan d'ensemble de la région située entre les Préalpes fribourgeoises et Ie lac de Neuchâtel. Contribution à l'étude des eaux souterraines de la région de Fribourg Introduction générale 21 3 Structure du travail Ce travail comporte trois parties indépendantes mais complémentaires. Il s'agit des domaines d'investigation suivants: - Etude de la qualité physico-chimique et isotopique de divers types d'eau liés à la molasse du Plateau, différenciation entre aquifères "profonds" et aquifères "pelliculaires" de la molasse (Partie 1), - Etude hydrogéologique du système hydrogéologique de la Tuffière, aquifère graveleux, alimenté par le lac de la Gruyère, les infiltrations locales "directes" et l'encaissant peu perméable (Partie 2), - Etude physico-chimique et isotopique des eaux souterraines de faible profondeur de la région située entre les Préalpes fribourgeoises et le lac de Neuchâtel (Partie 3). Cette approche monographique à différentes échelles aboutit à une meilleure connaissance des eaux souterraines par le biais de leurs traceurs naturels. Les principales techniques et méthodes appliquées au cours de ce travail font l'objet d'une présentation aux Annexes A (méthode VLF-R multifréquence) et B (méthodes isotopiques ^O et ^H) et C (méthodes relatives à l'étude hydrogéochimique et hydrodynamique). 4 Présentation du terrain 4.1 Situation géographique et occupation du sol Le terrain choisi se situe entre les Préalpes et le lac de Neuchâtel, sur sol fribourgeois principalement, vaudois et bernois en partie. En fig. 0.3, plan de situation, on trouve la localisation des principaux lieux cités et celle des diverses figures de détail présentées dans l'étude. Au sud-est du terrain, se trouvent les Préalpes, région de montagnes calcaires et de flyschs, dont les plus hauts sommets culminent à plus de 2300 m. C'est une zone de rochers, forêts et pâturages. Au nord-ouest des Préalpes, une zone de hautes collines boisées et parsemées de pâturages (800-1200 m) fait la transition entre les Préalpes et le Plateau. L'agriculture y est essentiellement herbagère Le Plateau (500-800 m) où les forêts couvrent environ le 40% de la surface. Elles coiffent fréquemment les très nombreuses collines modelées par les glaciers de l'époque würmienne. L'agriculture y est mixte, cultures intensives et herbages. Enfin, au nord du terrain, nous trouvons une région de plaines (plaines de la Broyé, Grand-Marais, altitude 430-500 m), avec les lacs de Morat et de Neuchâtel, où l'agriculture est intensive. On présente en fig. 0.4 l'hypsographie ou zonation altimétrique du terrain et en fig. 0.5, la carte d'occupation du sol. On y retrouve les 4 subdivisions décrites ci- dessus. Contribution à l'étude des eaux souterraines de la région de Fribourg 22 Introduction générale I :i'^x. Fig 0.4: Région située entre les Préalpes fribourgeoises et le lac de Neuchâtel: Hypsographie, d'après IMHOF et LEUZINGER (1965). Contribution à l'étude des eaux souterraines de la région de Fribourg Introduction générale 23 mm T i/ 3SSSA^a: & 1* o U co o p < s I S S w O T3 b o u O O co v« O «o . *t .?S la o ca CO Ü W) 3 ¥ 4H UlG U£ û,fl U* *v? A-Nr! &*>.' 5?¾' »toi l\ * $ \M 5 O' KV S&fò « * V^. :•¦* -¾ I o «r» *> ^ * <* OO «vu 2 Fig 0.5: Région située entre les Préalpes fribourgeoises et le lac de Neuchâtel: Agriculture et utilisation du sol, d'après IMHOF (1977). Contribution à l'étude des eaux souterraines de la région de Fribourg 24 Introduction générale Fig 0.6: Région située entre les Préalpes fri bourgeoise s et le lac de Neuchâtel: Hauteurs annuelles de pluie en mm. Moyenne de la période 1901-1940, d'après UTTINGER (1967). Contribution à l'étude des eaux souterraines de la région de Fribourg Introduction générale 25 mois Fig 0.7: Pluies mensuelles moyennes pour la période de 1959 à 1988 aux stations de Payerne (ait. 490 m), Fribourg (ait. 634 m), Marsens (alt. 721 m) et Jaun (ait. 1030 m). 4.2 Données météorologiques et climatiques Le terrain étudié se situe en région de climat tempéré. A Fribourg, au centre du terrain, le module des précipitations interannuelles (1959 - 1988) est de 1095 mm et la température moyenne de 8.2 0C. En moyenne, la température de l'air diminue de 0.5 0C par 100 m d'altitude. Le régime des précipitations est largement influencé par les dépressions venant de l'ouest (JORDAN et MEYLAN 1986, ROTTEN 1979). La distribution des précipitations (fig. 0.6) dépend principalement de l'altitude mais aussi de divers effets orographiques, microclimatiques et d'emplacement des stations (SEVRUK 1985). Au cours de l'année, on observe une répartition des précipitations différente dans les Préalpes que sur le Plateau (fig. 0.7). Dans les Préalpes, deux périodes de maxima relatifs des précipitations ont lieu: en novembre, décembre et janvier, puis en juin, juillet et août et deux périodes de minima en février et en septembre-octobre (stations de Marsens et Jaun). Sur le Plateau (stations de Fribourg et Payerne), on n'observe qu'un maximum sensible des précipitations entre mai et août et un minimum relatif entre décembre et mars-avril. En été, le mois de juillet est en moyenne moins "humide" que les mois de juin et août. On remarque aussi qu'en hiver, la station de Fribourg (altitude 630 m) reçoit relativement peu de précipitations et s'apparente à celle de Payerne (ait. 490 m), tandis qu'en été, elle en reçoit plus et s'apparente à la station de Marsens aux portes des Préalpes (ait. 720 m). La fig. 0.8 montre l'évolution interannuelle des modules pluviométriques aux stations de Payerne, Fribourg, Marsens et Jaun. Contribution à l'étude des eaux souterraines de la région de Fribourg 2 6 Introduction générale ---------- Payeme J____L__l____É------.------1____I____I____¦____I___1------i------1------1------É____,___k_J------i------1------¦------1____I____I------1------1____I____l___I____É___.____!___ 1955 1960 1965 1970 1975 1980 1985 1990 Années Fig 0.8: Pluies annuelles de 1958 à 1988 aux stations de Payeme (ait. 490 m), Fribourg (ait. 634 m), Marsens (alt. 721 m) et Jaun (ait. 1030 m). 4.3 Hydrologie Un réseau de ruisseaux et de rivières très développé draine le terrain d'investigation. Dans les Préalpes, le drainage de surface suit principalement les directions de fracturation NlO et E-W. Parallèlement aux structures géologiques, il ne se développe que partiellement. Sur le Plateau et dans les bassins de la Broyé et de la Sarine, deux directions principales de drainage prévalent: L'une parallèle à l'écoulement du glacier du Rhône à l'époque würmienne (de S-N au sud-ouest du terrain à N-45° dans la région de Fribourg) et l'autre, perpendiculaire à celle-ci, permettant aux cours d'eau d'atteindre progressivement les plaines en direction du N-W. Dans les grès du Burdigalien, les cours d'eau sont souvent encaissés de plusieurs dizaines de mètres, formant de véritables canyons. Plusieurs lacs de barrage (Rossinière, Lessoc, Montsalvens, La Gruyère, Pérolles et Schiffenen) modifient le régime de la Sarine. 5 Géologie et subdivisions hydrogéologiques Au cours de ce chapitre, nous présentons la géologie des trois grandes unités dont nous avons étudié la géochimie des eaux souterraines, à savoir le quaternaire, la molasse et les Préalpes, dans l'ordre d'importance. Nous détaillons aussi les caractéristiques hydrogéologiques de leurs formations. La fig. 0.9, établie d'après la carte de JÄCKLI (1967), situe les terrains et roches à fortes perméabilités de la région d'étude. S —H C C rt - > E- 3 :¾ Fig 0.11: Région située entre les Préalpes fribourgcoises et le lac de Neuchâtel: Géologie du substratum avec la localisation des principaux points d'eau observés: Point = source, carré = puits de pompage, triangle = source d'aquifère épidermique de la molasse, triangle renversé = forage avec eau profonde de la molasse (< 3 UT), cercle = eau de surface. Contribution à l'étude des eaux souterraines de la région de Fribourg Introduction générale 31 (moraine de fond, dépôts glacio-lacustres et, parfois, fluvio-glaciaire)1 . - Les anciennes vallées, remplies de matériel de progression des glaciers locaux - Les dépressions, vallées ou gorges remplies de matériel de progression glaciaire, suite aux détournements de cours d'eau provoqués par l'avance du glacier du Rhône (Wurm); - Les "Schmelzwasserrinnen", gorges ou vallons étroits et profonds, causés par les eaux de fonte du dernier glacier2 ; - Les dépressions et vallées laissées lors du retrait des glaces würmiennes, comblées par des graviers de retrait et terrasses de graviers post-glaciaires3 . Dc plus, de nombreux petits aquifères se sont formés sur Ia frange des glaciers du Rhône et de la Sarine (terrasses de kam). Beaucoup de vallons profonds très étroits et souvent remplis de matériel perméable ont été formés au cours de la progression du glacier du Rhône sur le Plateau: Les cours d'eau déviés par l'avance des glaces se sont créés des canyons étroits et profonds permettant d'évacuer leurs eaux en direction du N-W. Par la suite, ces dépressions ont été comblées par du matériel de progression au front du glacier. Grâce aux méthodes modernes de prospection géophysique, on commence à repérer ces anciens cours qui ont souvent une grande importance dans l'organisation des écoulements souterrains d'une région (cf. Partie 2, § 3.3.8). La moraine principale, parfois très hétérogène, donne naissance à un très grand nombre de petites sources. 5.2 Le bassin molassique 5.2.1 Géologie Au N-W des Préalpes, une frange de molasse sub-alpine (Chattien détritique et marneux, cf FASEL, 1986) chevauche la molasse du Plateau (fig. 0.11). Celle-ci se compose des membres stratigraphiques présentés à la fig. 0.12. Son épaisseur globale diminue depuis les Préalpes (région proximale) vers le Jura (région distale). Elle est légèrement ondulée (cf. fig. 0.2 représentant la structure interne du Plateau molassique). La molasse d'eau douce inférieure (USM) est formée d'unités lithologiques très variées suivant l'époque et le lieu de sédimentation. Dans les régions proximales, les sédiments grossiers prédominent (poudingues et grès), tandis qu'ailleurs, des séries à grès fins, marneuses ou calcaires apparaissent. 1 - Nous ne connaissons aucun captage d'eau, liée à ce type de vallée. Les réserves d'eau souterraine y sont mal connues car, à cause de la faible perméabilité des sédiments qu'on trouve à l'affleurement, ces lieux n'ont pas fait l'objet de prospection hydrogéologique. La présence de matériel graveleux sous ou à l'intérieur de ces dépôts (cf. fig. 2.7 ou 2.9), ou existence d'autres "vallées prérissiennes" contenant du matériel de remplissage aquifère ne sont pas exclues, particulièrement dans le bassin de la Glane, le bassin de Bulle, la région de la Tuffière et en Singine. 2 - Ces vallées sont souvent exemptes de dépôts quaternaires et, par conséquent, très pauvres en eau souterraine. ^ - La plupart des aquifères de moyenne importance du plateau fribourgeois se situe dans ce genre de dépôts. Contribution à l'étude des eaux souterraines de la région de Fribourg 3 2 Introduction générale GROUPCS HQLASSC Û'CAU DOUCE SUPERIEURE "OSM " "UMM" LIMITE D'EROSION EPANOACES DErRlHOUES GROSSIERS AVEC NIVEAUX LACUSIRES CMPICTCMCNT OC COSCS DCLTAIOUES MER PEU PROFONDE A HOULE CT A MAREES TRANSGRESSION OE LA MCR BUtOtGAUZWC____ DCPOTS FLUVtATIlES D'IMPORTANCC CROISSANTE SEOIMENIS FLUVIAIILCS DIMINUANTS ,PASSANT AV* DEPOTS OE LACS ET DE PLAYAS LITTORAL OETRiriOUC SOUMIS A LA HOULE ACCUMULATIONS DU LARGE AVCC COUCHES OE TEMPCTC TURBIOtTCS O'AVANT-FOSSE CT OC FRONT OEDELTA Fig 0.12 tirée de BERGER (1985): Stratigraphie de la molasse, d'après HOMEWOOD et al. (1985). La molasse marine supérieure (OMM) englobe à sa base les grès du Burdigalien et au sommet, les grès et poudingues de l'Helvétien qui affleurent au sud et à l'est du terrain étudié (fig. 0.11). Les grès du Burdigalien ont une épaisseur variant de 300 à plus de 900 mètres. Leur faciès pétrographique est très constant dans l'espace. De plus amples informations géologiques se lisent dans BERGER (1986), FASEL (1986), HOMEWOOD (1981, 1986), HOMEWOOD et al. (1985), MONNIER (1979), PARRIAUX (1981), SCHÖPFER (1989) ainsi que dans les nombreuses thèses de doctorat relatives à la région aux universités de Fribourg, Lausanne et Berne. 5.2.2 Subdivisions hydrogéologiques D'une manière générale, dans Ia région d'investigation, nous pouvons faire les deux subdivisions hydrogéologiques suivantes (cf. Partie 1): - Les aquifères pelliculaires de la molasse se situent en surface des terrains molassiques, sur quelques mètres, jusqu'à environ 100 m d'épaisseur. La molasse y est partiellement altérée et recoupée par de nombreuses fissures de décompression. Ce type d'aquifère contient un mélange d'eau ancienne de la formation, provenant des systèmes d'écoulement régionaux et d'eau récemment infiltrée provenant de systèmes d'écoulement locaux. - Les aquifères profonds de la molasse correspondent aux terrains dans lesquels les circulations d'eau sont régies par les systèmes d'écoulement régionaux. Il contiennent une eau dépourvue ou presque de Tritium et qui possède des caractéristiques isotopiques et géochimiques tout à fait particulières. 5.3 Les Préâlpes et le front des Préalpes Les Préalpes fribourgeoises forment la frange centrale nord de l'arc des Préalpes romandes. Elles sont un empilement complexe de nappes de charriage d'origine alpine interne, reposant en position entièrement allochtone sur l'avant-pays molassique para-autochtone et autochtone (cf. fig. 0.2 et 0.13 et tabi. 2). Contribution à l'étude des eaux souterraines de la région de Fribourg Introduction générale 33 Le tableau suivant, tiré de CARRON in TRUMPY (1980, P. 73) donne un aperçu d'ensemble de la composition stratigraphique et de l'origine présumée des diverses unités tectoniques des Préalpes. Table: Tectonic units of the Prealps Nappe Stratigraphie composition Presumed origin Upper Prealpine nappes {Simme s.l.) Various sheets, mainly of Cretaceous flysch, olistholites with Piémont and "ultra-Piemont" (Austroalpine ?, Ligurian 7) G umigel-Schlieren Upper Cretaceous to Middle Eocene flysch Piémont ? Breche du Chablais (Breccia) Triassic to Paleocene Piémont- Briançonnais margin Préalpes Médianes (Klippen nappe) J Rigides !,Plastiques Middle Triassic to Paleocene (or Eocene ?) Upper Triassic to F.etvne Briançonnais s.S. Subbriançonnais Zone Submédiane p.p. Mélange belt Valais (and Subbriançonnais ?) Niesen Basement io Eocene, mainly Upper Cretaceous flysch Valais UHrahelvctic Triassic to Upper l:.>cene Ultrahelvetic On différencie les principaux terrains aquifères suivants: - les séries calcaires, fissurées et karstiques des Préalpes médianes plastiques et rigides; - les séries calcaires para-autochtones; - les flyschs des nappes supérieures, séries gréso-marneuses fissurées; - les flyschs sub-alpins; - les remplissages quaternaires des fonds de vallées. MÜLLER (1975, 1976) et MÜLLER et PLANCHEREL (1982) ont publié les seules références hydrogéoiogiques relatives à cette région. MOLESON \ \ VANIL NOIR CUMMFLUH PREALPES ROMANDES S km m ? saura CMtAtI NMc Mn. «nt*t HtM bntf iim ifttt EU OSD m H. tnÉrtnra H.lrt(M CtfMMlt trt*M1(*t VIKtIy(CM Fig 0.13 tirée de MOSAR (1988): Profil tectonique synthétique à travers les Préalpes romandes montrant l'empilement complexe de nappes et d'écaillés, d'une part et, d'autre part, les formidables réservoirs d'eau souterraine liés aux calcaires du Malm et du Dogger situés entre autres, dans le synclinal de la Gruyère (vallée de la Sarine). G= Flyschs de la nappe du Gumigel, N= Flyschs de la nappe du Niesen. Contribution à l'étude des eaux souterraines de la région de Fribourg 34 Introduction générale 5.3.1 Les séries calcaires des Préalpes médianes La figure 0,14 résume les caractéristiques hydrogéologiques des différentes formations des Préalpes médianes. Au sein des séries calcaires, les déformations sont relativement cassantes (MOSAR, 1988; MULLIS, 1979) et ont donné naissance à une perméabilité de fissures bien développée. Les calcaires du MaIm et du Néocomien assurent, à la plupart des grandes sources karstiques des Préalpes, la fonction de réservoir et de drainage des eaux. A l'étude le Ia coupe géologique de la figure 0.13, nous nous rendons facilement compte des réserves impressionnantes que peuvent receler ces formations dans les synclinaux (synclinal de la Gruyère en particulier) et dans les écailles profondes (écaille des Gastlosen). Mesures VLF Sources importantes - ResisNvite'5 appare fifes; Pa(Om) - el- leurs degrés d'anîsofropie: S?S5 Perméabilité Jb? -Oébtf < ie/s > ie/s • >1ûf/s - ConducHvihé électrique |en ji-5iemensj j/S/cm(20°c) Chimisme Mg+VC34+ (N « • I • • • • ft 2010 ¦ i I Fig 0.14 tirée de MÜLLER & PLANCHEREL (1982): Lithostratigraphie et caractéristiques physiques des formations géologiques du massif du Vanii Noir. Paramètres physico-chimiques des eaux. Les valeurs du degré d'anisotropie de la résistivité apparente VLF-R (grands chiffres dans les plages hachurées) sont des valeurs maximales possibles. Contribution à l'étude des eaux souterraines de la région de Fribourg Introduction générale 35 5.3.2 Les flyschs des Préalpes A notre connaissance, il n'existe pas de littérature hydrogéologique relative aux séries de flyschs de la région des Préalpes fribourgeoises. BASABE (1991) décrit l'hydrogéologie des terrains de flysch de nappe du Niesen et des séries adjacentes. 5.3.3 Les remplissages quaternaires des fonds de vallées De nombreux aquifères graveleux existent dans les fonds de vallées sous forme de remplissage de sillons profonds ou de terrasses. De par leur position morphologique basse, ils drainent les systèmes d'écoulement locaux et régionaux en milieu karstiques, principalement et recèlent ainsi d'impressionnantes réserves en eau souterraine. De plus il y a le plus souvent des relations hydrauliques avec les eaux de surface. Contribution à l'étude des eaux souterraines de la région de Fribourg PREMIERE PARTIE LES EAUX DU SUBSTRATUM MOLASSIQUE Première partie: Eaux de ta molasse 37 PREMIERE PARTIE LES EAUX DU SUBSTRATUM MOLASSIQUE Résumé On distingue deux types d'aquifères molassiques: - Les aquifères profonds qui contiennent des eaux anciennes (dépourvues de Tritium), aux caractéristiques très particulières. - Les aquifères épidermiques ou aquifères locaux, situés dans une frange de quelques m. à environ 100 m. de profond, où circule une eau récente, parfois mélangée à une composante ancienne. Dc haut en bas, dans les aquifères profonds de la molasse, on trouve les types d'eau suivants: - Mg-Ca-HQO^ (380 - 450 flS/cm) dans le Burdigalien. - Na-HC(H (380-500 nS/cm) à la base du Burdigalien. -Na-HCO^-SOd (500 - 1'5OO u.S/cm) dans l'Aquitanien. - Ca-(Mg)-(Na)-£Û4.-(HC03) (l'OOO - 5'0OO u,S/cm) dans le Chattien. - Na-Cl-(SOd) (> lO'OOO (iS/cm) dans le Crétacé, la molasse marine inférieure et la base de la molasse d'eau douce inférieure. Parmi ces types d'eau, seule celle des grès de la molasse marine supérieure, représentée par le Burdigalien et l'Helvétien sont potables et même d'excellente qualité pour la consommation. Ces formations constituent un très grand aquifère encore inexploré et presque inexploité, dont on présente une carte des zones favorables à l'exploitation. Les eaux des aquifères épidermiques de la molasse sont par contre très proches de celles du Quaternaire, de type Ca-(Mg)-HCQ^-(SQd). moyennement minéralisées (400-800 nS/cm). Elles contiennent parfois une part des caractéristiques de l'eau "profonde", particulièrement en situation morphologique basse, favorable au drainage des systèmes d'écoulements régionaux. 1 Introduction Au cours de ce chapitre, nous présentons l'eau des aquifères profonds et, à titre comparatif, celles des aquifères épidermiques de la molasse. Les aquifères profonds contiennent une eau "ancienne" (absence de Tritium), liée à des systèmes d'écoulement régionaux. Elle possède des caractéristiques physico-chimiques et isotopiques tout à fait particulières et se différencie très nettement des eaux du Quaternaire. Les aquifères épidermiques de la molasse recèlent une eau dont la qualité ressemble à celle du Quaternaire sus-jacent; elle contient parfois en mélange, une part d'eau ancienne provenant de la décharge des aquifères profonds. La connaissance de l'eau "profonde" et des conditions hydrogéologiques dans lesquelles elle a acquis son faciès, apporte entre autres, les renseignements suivants: Contribution à l'étude des eaux souterraines de la région de Fribourg 38 Première partie: Eaux de la molasse - Elle est le membre extrême du côté molasse qui nous permet d'étudier et tenter de quantifier, grâce aux traceurs physico-chimiques naturels, les apports de l'eau molassiquc dans les aquifères du Quaternaire. - Elle nous permet de préciser l'origine de certains ions dans les eaux du Quaternaire Li+, Na+ Mg++, F",et Cl", entre autres (cf. Partie 3). La littérature hydrogéologique concernant la molasse de Suisse occidentale n'est pas très abondante. Pour la région de la plaine de l'Orbe, au S-W d'Yverdon, PETCH (1970) décrit les principaux caractères chimiques des eaux captées dans le Chattien, l'Aquitanien et le Burdigalien, en fonction des nombreuses Iithologies. On trouve aussi dans HÖGL (1980), une description détaillée des eaux de la source Bel-Air d'Yverdon captée dans la formation des marnes à gypse du Chattien. PARRIAUX (1981) décrit les relations entre certains facteurs géologiques et le type de source molassique de versant pour la région du bassin de la Broyé. Il y signale et décrit de nombreuses sources captées dans la molasse des flancs de la vallée. Il propose aussi divers scénarios d'exploitation de cette eau de la molasse. BALDERER (1979, 1990) et SCHMASSMANN et al. (1984) présentent une synthèse des informations concernant la qualité et l'origine des eaux de la molasse de Suisse centrale et orientale. BUCHI (1975), LEMCKE et al. (1968) et RYBACH et BUCHI (1980) apportent des informations sur l'aspect ressource énergétique de ces eaux. 2 L'eau des aquifères profonds de la molasse. Nous utilisons la terminologie "eau de la molasse" ou d'une formation molassique pour qualifier l'eau mobilisable contenue dans la roche-réservoir. C'est l'eau de systèmes d'écoulement régionaux qui a des caractères physico-chimiques propres acquis au sein des formations qu'elle traverse ou hérités du passage à travers d'autres formations. Son temps de séjour souterrain est grand: Elle contient moins de 3 UT et n'est donc pas mélangée à une eau d'infiltration "rapide" dont le temps de séjour souterrain est inférieur à 30 ans. Dans la molasse d'eau douce inférieure (USM), les Iithologies étant très diversifiées, on doit s'attendre à trouver plusieurs types d'eau. Par contre, dans la molasse marine supérieure, le Burdigalien en particulier, où les Iithologies sont très monotones, on devrait retrouver presque partout une eau de même qualité chimique. 2.1 Exemples d'eaux de la molasse sur le terrain étudié Nous présentons ici quatre exemples d'eaux de la molasse (fig. 1.1). 2.1.1 L'eau des grès du Burdigalien à Matran Forage artésien No Ml: Coord: 574.150/181.290, altitude: 578 m, profondeur 120 m. (tabi. 2 a). Cette eau peu minéralisée (410 u,S/cm) est bicarbonatée magnésienne et calcique (type Mg-Ca-HCO^). Sr++, Mg++, Ba++, SÌO2» entre autres, s'y trouvent en excès, par rapport aux teneurs moyennes des eaux du Quaternaire. Contribution à l'étude des eaux souterraines de la région de Fribourg Première panie: Eaux de la molasse 39 Cette eau est en tous points semblable à celle qui est captée par forage profond dans la molasse burdigalienne aux environs de Berne. SCHMASSMANN et al. (1984) décrivent comme un "cas particulier" hydrochimique une eau très semblable à celle de Matran, dans Ia molasse d'eau douce inférieure de Schönenbuch (BL). Me++ SHC03- CO3-- O a. O OJJ S ^ o fi "- LU % 3 E U U . 0 iï co U. ci 1- » 1HW O C icn 1> '5 E CQ 0 C c ,¾ C-, re .S rr ttien, s Aqu l'A re en, ¦O Cha ¢0 » Tl tern diga Ui rrée pse, >î o> CQ E X) rfq 3 •O 3 « K Eau Grès Grès Marn Marn Fig. 1.1: Diagramme de SCHOELLER (1969) relatif à quatre types d'eau de I1OMM et de TUSM de Suisse occidentale. En gras, sur les axes, est représentée la fourchette de variation relative aux eaux de 40 sources importantes du Quaternaire de la région étudiée (localisation des points en fig. 0.11). Contribution à l'étude des eaux souterraines de la région de Fribourg 40 Première partie: Eaux de la molasse 2.1.2 Contact entre l'Aquitanien et le Burdigalien, région de Cuarny. Forage artésien No CYl: Coord: 542.340/178.920, altitude: 540 m, profondeur 62 m (tabi. 2 b). Cette eau peu minéralisée (410 u.S/cm) est bicarbonatée sodique. Li+, Na+, Ba++, F", entre autres, s'y trouvent en excès, par rapport aux teneurs moyennes des eaux du Quaternaire. Les eaux de l'Aquitanien supérieur de la région Olten-Aarau, à Kölliken, ont un faciès chimique très semblable à celui-ci (tabi. 2 c). A l'extérieur du terrain d'étude, SCHMASSMANN et ai (1984), BUCHI (1975) et HÖGL (1980) décrivent les eaux de la molasse d'eau douce inférieure et de la molasse marine supérieure prélevée dans les forages profonds de Constance, Mainau et Zurich (Plateau de Suisse orientale)^ Dans les trois cas, il s'agit d'une eau, de type bicarbonaté sodique qui provient de séries gréseuses à fortes proportions de marnes. 2.1.3 Marnes bigarrées de l'Aquitanien (région de Po m y). Forage artésien No P03: Coord: 540.850/178.685, altitude: 542 m, profondeur 54 m (tabi. 2 d). Cette eau sulfatée sodique possède une conductibilité électrique de 900 à 1100 (iS/cm. Na+, F", SO4", Li+, entre autres, s'y trouvent en excès par rapport aux teneurs moyennes des eaux du Quaternaire. A l'exception des teneurs en chlorures, relativement faibles ici, cette eau est du même type que celle du forage Aquì de Zurich, qui extrait 300 1/min d'eau de la molasse marine supérieure aux profondeurs de 350 à 500 m (tabi. 2 e). 2.1.4 Marnes à gypse du Chattien supérieur, région de Pomy. Forage artésien No SE3: Coord: 540.025/178,990, altitude: 490 m, profondeur 28 m (tabi. 2 0 Cette eau fortement minéralisée (K20 > 2000 p.S/cm) est bicarbonatée et sulfatée calcique et sodique. Les éléments en excès, par rapport aux teneurs moyennes des eaux du Quaternaire sont: SO4", Sr++, Na+, Li+, P, Ca++. 2.2 Interprétation Les mesures reportées sur le diagramme de SCHÖLLER (1969), (fig. 1.1) mettent en évidence les différents types d'eaux. Nous y avons aussi représenté, à titre de comparaison, les résultats d'analyse des eaux de 40 sources représentatives des aquifores du Quaternaire, situés dans la région d'étude. D'un type d'eau à l'autre, on observe l'évolution suivante: a) Passage des caractéristiques de l'eau du Quaternaire à celles du Burdigalien: Avant de saturer les grès du Burdigalien, les eaux ont transité par le Quaternaire et y ont acquis leur première caractéristique bicarbonatée calcique (et magnésienne) avec un rapport Ca++/Mg + + [meq/1] de l'ordre de 5 à 10 comme la presque totalité des eaux du Quaternaire de la région (cf. Partie 3, § 2.5). Dans la molasse burdigalienne, ce rapport Ca++/Mg++ s'abaisse jusqu'à environ 1. L'évolution de ce rapport peut s'expliquer, entre autres phénomènes, par des effets de cinétique, le magnésium nécessitant un temps plus grand que le calcium pour Contribution à l'étude des eaux souterraines de la région de Fribourg Première partie: Eaux de la molasse 41 entrer en solution (cf. Partie 3, § 4.5). L'enrichissement en Mg++ a lieu principalement par échange ionique, sans augmentation de la minéralisation. Les teneurs en Cl" sont inférieures à 1 mg/1 quand bien même, dans les eaux du Quaternaire, elles se situent actuellement entre 15 et 20 mg/1 en moyenne. Cette observation est la preuve que les teneurs actuellement constatées dans les eaux du Quaternaire proviennent uniquement des activités humaines. Les teneurs en SO4" (9 mg/1) sont faibles, quelque peu inférieures à celles que l'on trouve en moyenne dans les eaux actuelles du Quaternaire (10-20 mg/1). b) Passage du type bicarbonaté magnésien et calcique du Burdigalien au type bicarbonaté sodique de la base du Burdigalien et du contact avec VAquitanien. - A la base du Burdigalien, l'eau a une minéralisation totale comparable à celle des grès du Burdigalien; cependant, le rapport entre les cations alcalino- terreux et les alcalins est totalement inversé. On observe ici le résultat d'échanges cationiques sur des minéraux argileux - particulièrement les smectites - (SCHÖLLER, 1962; EGGER, 1978; GOLDBRUNNER et LEDITZKY (1979); MICHARD, 1989). Ca++, Mg++, et Sr+"*" sont progressivement échangés contre Na+, principalement. Dans les grès du Burdigalien, les niveaux argileux sont presque inexistants. Ils apparaissent dans le bas de la série et sont prédominants dans les formations sous- jacentes; on explique ainsi pourquoi les cations bivalents subsistent dans les grès et disparaissent dans les formations à plus grande proportion argileuse et plus faible perméabilité. c) Dissolution de gypse dans les niveaux de VAquitanien et du Chattien Dans les grès et marnes bigarrées de l'Aquitanien, le phénomène décrit ci-dessus est encore amplifié. La minéralisation augmente par dissolution de gypse. L'eau que l'on rencontre dans le Chattien devient sulfatée calcique et magnésienne par dissolution de ce minéral. Le déséquilibre entre Na+ et Cl" subsiste, bien que les teneurs en Cl" aient substantiellement augmenté. d) Présence à plus grande profondeur d'eau fossile chlorurée sodique Dans les formations sous-jacentes (base de la molasse d'eau douce inférieure et Crétacé sup. de la région d'Yverdon-les-Bains), SCHMASSMANN (1988) décrit la présence d'eaux salines, chlorurées sodiques. Dans chaque type d'eau décrit, les teneurs en HCO3" restent très stables (270-530 mg/1) par rapport aux autres ions principaux. 2.3 Autres cas semblables cités dans la littérature De nombreux auteurs mentionnent une telle évolution des faciès chimiques des eaux souterraines dans la molasse: Citons entre autres BALDERER (1990), GOLDBRUNNER (1984, 1988), ANDREWS et al. (1987) et SCHMASSMANN et al. (1984). Les deux études les plus complètes et se rapprochant le plus de notre sujet sont, à notre connaissance, celles de EGGER (1978) et de GOLDBRUNNER (1988): Dans la molasse d'eau douce supérieure d'Allemagne du sud (région entre Munich et Augsburg), EGGER (1978) décrit les deux types d'eau faiblement minéralisés (325 à 550 jxS/cm) suivants: - un type bicarbonaté calcique et magnésien présent dans les 60 premiers mètres de profondeur, contenant généralement du tritium. - un type bicarbonaté sodique en plus grande profondeur, contenant le plus souvent moins de 3 unités-tritium. Contribution à l'étude des eaux souterraines de la région de Fribourg 42 Première partie: Eaux de la molasse Il observe une augmentation des teneurs en Na+, et respectivement une diminution en cations alcalino-terreux en fonction de la profondeur des captages. Il explique ce phénomène par échange cationique très lent avec les minéraux argileux, les micas et les feldspaths - abondants dans les terrains qu'il présente - selon le schéma suivant: Na2A + (Ca, Mg)(HC03)2 <==> (Ca, Mg)A + 2 NaHCÛ3 A étant l'"échangeur". La molasse étudiée par cet auteur est peu consolidée et constituée en majeure partie de marnes et d'argiles, intercalées de bancs "sableux" et "graveleux" très perméables. Cet auteur fait, en outre, une compilation et une synthèse des valeurs des paramètres de l'aquifère molassique qu'il étudie, obtenant, à partir de 178 essais de puits, des perméabilités échelonnées entre 2-10"^ et 2-10-4 m/s! GOLDBRUNNER (1988) décrit le même processus de formation d'eau dans les séries du bassin molassique d'OberÖsterreich, au nord des Alpes calcaires septentrionales autrichiennes, avec, schématiquement, l'évolution suivante: - en sub-surface, une eau bicarbonatée calcique (pH: 7 - 7.8, K20: 250 - 620 u.S/cm, présence de Tritium); - en faible profondeur (100 - 400 m), eau bicarbonatée calcique et magnésienne (pH: 7.7 - 8.6, K20: 160 - 370 u.S/cm, Tritium < 3 UT et absence presque totale de chlorures); - en plus grande profondeur: eau bicarbonatée (et chlorurée) sodique (pH: 8.4 - 8.9, K20: 400 - 800 u.S/cm, Tritium < 2 UT); - dans les séries encore plus profondes, Miocène inférieur, Oligocène et Eocène, à plus de 500 m de profondeur, une eau chlorurée sodique prévaut (K20: l'OOO - 30'000 u.S/cm); - enfin, dans le Crétacé supérieur et particulièrement Ie Jurassique supérieur se trouvent des eaux chlorurées sodiques moins fortement minéralisées (K20: l'OOO - 4'000 fiS/cm). 2.4 Discussion Les eaux présentées ci-dessus proviennent d'endroits où les formations respectives qui les contiennent sont sub-affleurantes. On a interprété leur chimisme comme si leur prélèvement avait eu lieu sur une même verticale, dans une série stratigraphique complète. Nous considérons que cette extrapolation n'est pas dénuée de fondements, compte tenu du fait que ces roches ont des perméabilités longitudinales largement plus élevées que les perméabilités transversales aux strates: Les eaux récoltées pourraient provenir de régions plus élevées où la série stratigraphique est complète. Les valeurs du 91^O, relativement basses dans les eaux des forages P03 et CYl (tabi. 2) sont un argument en faveur de cette hypothèse: Elles correspondent actuellement à un bassin d'alimentation situé à une altitude moyenne de 680 à 780 m, qui est celle des plateaux et collines de grès burdigaliens dans l'arrière-pays. (Cet argument n'est pas décisif, car on ne connait pas le temps de séjour réel de ces eaux ni l'évolution passée du rapport entre le 31^O et l'altitude). D'autre part, une telle évolution verticale a été observée dans un forage récent implanté à Matran (FR), traversant 25 m de Quaternaire (eau de type Ca-Mg-HCO^) puis 230 m de grès du Burdigalien (eau de type Mg-Ca-HCO^. jusqu'à 160 m, de type Contribution à l'étude des eaux souterraines de la région de Fribourg Première partie: Eaux de ta molasse 43 Ca-Mg-Na-KUUl, entre 160 et 200 m puis Na-HCOO. avant d'atteindre les grès et marnes de l'Aquitanien (eau de type Na-Ca-Mg-HCC>3-SC>4). Les grès du Burdigalien proviennent de sables sédimentés en milieu marin. Au départ, l'eau de mer remplissait ce sédiment; elle a disparu du grès à tel point que l'on y retrouve à peine un mg/1 de Cl". Qu'est-elle devenue? LEMKE et al. (1968), SCHMASSMANN et al. (1984), SCHMASSMANN (1988), GOLDBRUNNER (1984, 1988) et ANDREWS et al. (1987) préconisent qu'une partie au moins de cette eau de mer migre vers le bas et alimente un réseau d'écoulement dont l'exutoire se situe en Bavière. Une partie de cette eau salée a certainement quitté les grès du Burdigalien par migration latérale en direction des aquifères du Quaternaire, des fonds de vallées ou des lacs. Traversant les marnes de l'Aquitanien et du Chattien, cette eau de mer a probablement saturé les minéraux argileux en Na+. On expliquerait ainsi pourquoi ces minéraux échangent maintenant les ions alcalino-terreux contre le sodium. 3 Les aquifères épidermiques du Burdigalien Le fait qu'une eau jaillisse de la roche (du grès burdigalien, en particulier) est généralement interprété comme un signe de fraîcheur et de bonne qualité. On aurait tendance à croire que cette eau possède des propriétés particulières ou qu'elle est de meilleure qualité qu'une eau captée dans le Quaternaire. Le plus souvent, rien ou presque ne différencie ces deux types d'eau. Très rares sont les sources naturelles de la molasse (par exemple Onnens cf. Partie 3, § 5.3), dans lesquelles arrive une eau qui contient une composante importante dépourvue de Tritium, que l'on admet être tributaire d'un système d'écoulement plus régional. De tels cas aident à fixer des points de repères pour l'étude de la décharge diffuse des eaux profondes de la molasse dans les sillons graveleux, les aquifères de fond de vallées et certains aquifères épidermiques de la molasse. Généralement, aux sources épidermiques de la molasse, arrive une eau qui transite depuis le Quaternaire sus-jacent, d'une part et, d'autre part, constitue la décharge des zones superficielles de cette molasse. Cette eau, dont le séjour souterrain moyen est habituellement comparable à celui des eaux du quaternaire, peut s'enrichir des traceurs naturels de la molasse en question. 3.1 Les captages "traditionnels" dans le Burdigalien La fig. 1.2 visualise la situation géologique et morphologique de cinq points d'eau représentatifs des très nombreux captages "traditionnels" dans la molasse, recensés sur le terrain d'étude. Ils captent l'eau d'aquifères épidermiques de la molasse. L'échelle verticale est exagérée 2.5 fois. Les coupes sont dessinées dans la direction de la pente maximale (localisation en fig. 1.3). Ces captages sont de trois types: - Source (exemples de Cheiry et d'Onnens), - Galerie captante (Vers-Chez-Savary et Prehl), - Puits (Chèvrefu). Aux sources et dans les galeries captantes, l'eau sourd de la molasse des deux manières suivantes: - par une ou plusieurs fissures béantes: Ces fissures sont habituellement des diaclases de décompression sub-verticales. Elles font office de drains en collectant l'eau sur de grandes surfaces. Elles peuvent Contribution à l'étude des eaux souterraines de la région de Fribourg 44 Première partie: Eaux de la molasse aussi servir de vecteur aux eaux d'infiltration provenant des sols morainiques sus- jacents. - le long de joints de stratification, à la base de bancs de grès grossiers relativement perméables et au contact des grès reposant sur des marnes. Alt.[m.s.m.] CHEIRY 700 J 553.750/178.580 NW 700H SE 600 - 500 - CHEVREFU 553.675/186.070 SE S N VERS-CHEZ-SAVARY 563.720/183.550 ONNENS 569.500/181.810 PREHL 576.500/197.000 -i----------r 0 250 500 750 1000 1250 m NW SE NW LEGENDE: o Source fC Galerie captante \f Puits Grès du Burdigaüen (MMS) Grès et marnes de l'Aquitanien sup. (MDI) 0 250 500 750 1000 1250 m SE NW Fig. 1.2: Coupes géologiques schématiques, faites dans l'axe de plus grande pente pour les cinq captages "traditionnels" dans la molasse (exagération de l'échelle verticale: 2.5 fois, localisation en fig. 0.3). 3.2 Qualité physico-chimique des eaux. La fig. 1.3 résume les différences physico-chimiques entre les eaux des cinq captages présentés ci-dessus. Elle permet de comparer ces valeurs avec, d'une part, les analyses de 45 points d'eau captés dans le Quaternaire de la région d'étude et, d'autre part, avec l'eau des grès de la molasse burdigalienne. Cette dernière eau se différencie nettement des celles du Quaternaire pour les paramètres suivants Mg+ + , Sr++, SÌO2, Ca++, NO3", et Cl". A l'exception de 4 mesures, les eaux des aquifères épidermiques de Ia molasse entrent toutes dans la fourchette de variation des eaux captées dans le Quaternaire. Elles possèdent souvent une minéralisation et des teneurs en NO3" et Cl" un peu plus élevée que la moyenne de celles-ci. Leurs teneurs en Mg++, Li+ et SÌO2, significatives d'un temps de séjour souterrain élevé Contribution à l'étude des eaux souterraines de la région de Fribourg Première partie: Eaux de la molasse 45 (cf. Partie 3, § 4.5) sont relativement hautes, mais celles de Sr++, un bon marqueur des eaux du Burdigalien, ne montrent pas d'enrichissement relatif. Les temps de séjour souterrain (Tritium) de ces eaux, comme pour celles du Quaternaire, s'échelonnent entre 5 et 15 ans en moyenne. Ces observations confirment que les lieux de captages traditionnels dans la molasse fournissent habituellement une eau qui provient de systèmes d'écoulement locaux: On y retrouve parfois une eau mixte résultant du mélange d'une faible part d'eau ancienne de la formation et d'une grande part d'eau d'infiltration "rapide". En dehors de notre terrain, à l'est de Berne, SCHOTTERER et MÜLLER (1986) ont fait des observations semblables. K2Ü liiSrcm; D'IO Ca+* Mg++ Na+ K+ Sr+-* Ba++ Li+ HCO3- S04" NO3- Cl" F- SÌO2 lmg/11 lmg/1] |mg/l] (mg/I] \mji\ [jig/D lu g/1] li»6/H !"ig/H 1"'&"I t"ig/H ljJ»gfll Mfi/U Fîg. 1.3: Diagramme de comparaison chimique entre les eaux de cinq aquifères épidermiques de la molasse (Burdigalien et contact avec l'Aquîtanien) et l'eau profonde des grès du Burdigalien de Matran. En gras, sur les axes, est représentée la fourchette de variation relative aux eaux de 40 sources importantes du Quaternaire de la région étudiée (localisation des points en fig. 0.11). Contribution à l'étude des eaux souterraines de la région de Fribourg 46 Première panie: Eaux de la molasse 3.3 Relations hydriques entre molasse et Quaternaire Chacun des deux types d'aquifère molassique possède, en situation morphologique basse, des exutoires diffus dans le Quaternaire. Certaines méthodes hydrodynamiques permettent d'estimer l'alimentation diffuse d'un aquifère par son substratum peu perméable (BALDERER 1982). Il n'est pas aisé de quantifier ces apports au moyen de la géochimie des eaux, car les terrains quaternaires fins sont souvent les produits d'altération et d'érosion du soubassement molassique. Ils peuvent transmettre à l'eau souterraine une part des caractéristiques géochimiques que possède l'eau profonde de la molasse. De plus, l'eau du système d'écoulement régional peu perdre ses caractéristiques principales au contact du terrain quaternaire ou de ses eaux. Dans certains cas, par simple calcul de dilution, il est cependant possible de donner une appréciation semi-quantitative des proportions de ce mélange. On admet pour cela qu'il n'y a pas de modification des concentrations lors de la dilution de la composante "molasse" par celle du Quaternaire. Le traceur idéal pour ce genre de démarche est le Tritium car on peut admettre que les eaux provenant du substratum molassique en sont dépourvues (cf. exemple de Ia source de Onnens, Partie 3, § 5.3). On peut calculer des coefficients de dilution de la part des eaux du Quaternaire sur la base des paramètres suivants, traceurs d'une ou plusieurs formations molassiques: Li+, Na+, Mg++, Ca++/Mg++, Sr+, SO4", F" et SÌO2. Cependant ces traceurs peuvent aussi être issus de certaines formations peu perméables du Quaternaire, par exemple Li+, Mg++, Sr+ (cf. Partie 2, § 5.5). D'autre part, les concentrations en Li+, Mg++ et S1O2 semblent croître en fonction du temps de séjour souterrain de l'eau (cf. Partie 3, § 4.5). 4 Les captages d'eau potable dans le Burdigalien. De 1984 à 1986, quatre puits d'exploration et deux puits de captages ont été implantés à Matran (FR) sur la base des directives de J. Seiler, radiesthésiste. Jusqu'à cette époque, personne n'avait encore eu l'idée d'exploiter les eaux profondes du Burdigalien en Suisse occidentale. Depuis lors, des puits semblables furent forés à Wabern (BE) et de nouveau à Matran. Ils fournissent tous une eau dont les caractéristiques physico-chimiques sont, à quelques pour-cents près, les mêmes. Ces forages implantés souvent dans une dépression morphologique permettent de prélever l'eau profonde de la molasse. Leurs perméabilités de l'ordre de 1 à 5 • 10"7 m/s permettent de soutirer un débit de l'ordre de 50 à 200 1/min par ouvrage. La fig. 1.4 représente, en coupe dans la direction de plus forte pente, la situation des captages de Matran et de Wabem. 4.1 Paramètres de l'aquîfère Les valeurs ci-dessous concernent les paramètres de l'aquifère, déterminés par essais aux deux puits d'exploitation. Puits No Profondeur Diamètre [m] Pression artésienne Débit artésien [1/min] Perméabilité [m/s] Coefficient d'emmagasin. Ml 120 m 0.8 0.77 bar 29.8 3.0-10"7 0.09% M2 90 m 0.8 0.66 bar 34.5 5.7-10-7 0.15% Contribution à l'étude des eaux souterraines de la région de Fribourg Première partie: Eaux de la molasse 47 Alt.[m.s.m.] MATRAN 574.150/181.250 700- WABERN 600.500/197.450 i------------1------------1------------1------------1------------1 250 ¦ 500 750 1000 1250 m SE 0 NW LEGENDE: 0 SW T------------r 250 5Ó0 750 10Ô0 1250 m NE Ä£ \f Puits Grès et conglomérats de l'Helvétien (MMS). Grès du Burdigalien (MMS) Grès et marnes de I'Aquitanien sup. (MDI) Fig. 1.4: Coupes géologiques schématiques, faites dans l'axe de plus grande pente pour les captages profonds de Matran et de Wabern, dans les grès du Burdigalien (exagération de l'échelle verticale: 2.5 fois). Malgré les faibles perméabilités de l'ordre de 3 à 5 • 10"? m/s, les transmissivités sont acceptables, du fait de l'épaisseur utile de l'aquifère. A Matran, les débits artésiens ont augmenté proportionnellement à l'avance des forages, sans hausse subite. Dans tous les forages, on a constaté que la molasse ne fournit pas d'eau sur les 30 à 40 premiers mètres (roche sèche et bien cimentée), bien que depuis ces profondeurs, les premières venues soient déjà artésiennes. Nous n'avons pas encore donné une explication à ce phénomène. Une inspection de deux forages à la caméra de télévision a démontré la présence d'une seule fracture dans le forage 1, entre 61 et 64.5 m de profondeur. Cependant, en cours de forage, entre 40 et 120 m de profondeur, les débits artésiens ont augmenté progressivement, sans venue d'eau subite. D'autre part, l'étude des courbes de température et conductibilité électriques dans les puits laissent supposer que d'importantes venues d'eau ont lieu entre 42 et 45 m de profondeur1. On déduit de ces observations que les perméabilités résultent des contributions aux écoulements des joints de stratification et de la matrice rocheuse principalement et, accessoirement, des très rares diaclases. * Malheureusement, aucune diagraphie de flux (flowmètre) n'a pu être entreprise dans ces forages. Contribution à l'étude des eaux souterraines de la région de Fribourg 48 Première panie: Eaux de la molasse 4.2 Etude géochimique et isotopique des eaux du Burdigalien Cette eau a une minéralisation totale proche de 435 mg/1 (tabi. 2 a) et une dureté totale de 25°F, ce qui la place quelque peu en dessous des teneurs moyennes que l'on trouve dans les eaux qui sourdent du Quaternaire. Aucun élément chimique ne sort des normes pour l'eau de boisson, à l'exception de l'Oxygène dissous; c'est pourquoi cette eau nécessite une aération artificielle. A Matran, elle subit en outre un traitement et une filtration préventifs afin d'éliminer les traces de fer et de manganèse. 4.2.1 Evolution spatiale des caractéristiques physicochimiques D'un puits à l'autre, nous ne constations presque aucune différence chimique. D'une manière générale, aux puits peu profonds (50-80 m), la conductibilité électrique est légèrement supérieure à celle des puits plus profonds (90-150 m). Cette différence se traduit dans les valeurs de Ca++, plus élevées dans les eaux moins profondes. Elle se retrouve aussi aux profils de la fig. 1.5, avec des minéralisations plus faibles en fond de puits. 7.0 02 diss. ¦— 10 TBMP. >— 330 K20 0 7.2 7.4 7.6 7.8 8.0 0.2 0.4 0.6 0.S 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 1! 12 13 14 390 400 410 20- 40- 1 M Z D m 80- 100- 120-1 PUITS 1 :lï-" y u 420 pH Oidi TEMP. K200 7.0 7.2 7.4 7.6 7.8 S.O 0 0.2 0.6 1.0 1.4 1.8 2.0 P 1P . H 12 13 14 15 380 390 20 - 40 70 C S geo R C 80 - 100 J 400 410 420 - __,_____I_____...-I j i PUITS 2 -----'---------'l.j '---------' / y ' l 1 I ; i 1 "'¦?: i «e i ?" > I1 - «£ ) i !:-. -¦;;! ^S "7TZ < \ \ ! r l > > ¦t.. I ; - C. I J, P- \( \ : -i ! f - : -,i L > 1 ) I S - pH ........... OXYGENE DISSOUS l m g/3) ¦ - - - TEMPERATURE [*CJ ______CONDUCTIBILITE ELECTRIQUE [nS/cm à 200CJ Fig. 1.5: Evolution de quatre paramètres physico-chimiques en fonction de la profondeur aux puits d'exploitation 1 et 2 de Matran. Contribution à l'étude des eaux souterraines de la région de Fribourg Première panie: Eaux de la molasse 49 La fig. 1.5 montre l'évolution des paramètres physiques et de l'02 dissous en fonction de la profondeur dans les deux puits d'exploitation, avant le début des pompages, en mars 1987. Selon les maîtres d'oeuvre des captages, les venues d'eau dans les forages apparaissent vers -30 m. Il semble que les premières venues d'eau très importantes se situent vers -42 m (diminution des conductibilités, augmentation des températures et variations du pH synchrones). Plus bas, en particulier dans le puits 1, on observe des évolutions semblables mais moins marquées autour des profondeurs-repères de -64, -78, -90 et -110 m. On peut attribuer ces variations à des venues d'eau plus importantes à la faveur des bancs de grès plus perméables. Les teneurs en oxygène dissous restent toujours voisines de 0.1 mg/1. La mesure des températures en fond de forage a permis de déterminer un gradient géothermique de 2.750C par 100 m (fig. 1.6) 580 E i_' 560 O* WD 520 -O a O 500 «M s -o 480 a> +^ O 460 *•< P1: Cote = 590 m, T = 10.1° 440 X \. P2: Cote = 690 m, T = 11.2 M2: Cote = 580 m, T = 12.25° »x o O Ü o LO M1: Cote = 580 m, T = 13.1 lO.O 10.5 11.0 11.5 12.0 12.5 13.0 Température en fond de forage [0C] 13.5 Fig. 1.6: Puits de Matran dans les grès du Burdigaîien: gradient géothermique. 4.2.2 Evolution temporelle des caractéristiques physicochimiques Les diverses mesures physico-chimiques trimestrielles faites sur les eaux des deux puits d'exploitation durant deux ans, montrent une très grande stabilité des paramètres et très peu de différence d'un puits à l'autre. Au cours du temps, les conductibilités électriques ont tendance à diminuer (8 u.S/cm au cours de la première année d'exploitation), ce qui pourrait signifier qu'une eau d'origine plus profonde arrive au puits (cf. fig. 1.5). 4.2.3 Interprétation des mesures physico-chimiques Cette eau est sursaturée en carbonate de calcium. Son indice de saturation vis à vis de la calcite, calculé au moyen de la méthode décrite en Annexe C est de 0.1 à 0.3. Elle dépose un précipité blanc constitué d'environ 2/3 de calcite et 1/3 d'aragonite. Contribution à l'étude des eaux souterraines de la région de Fribourg 50 Première partie: Eaux de la molasse LIPPMANN (1973) attribue la précipitation d'aragonite à la présence de magnésium en forte proportion dans la solution. Ces eaux de la molasse burdigalienne ont une minéralisation totale moyenne relativement faible, comparée à celle des eaux "récentes" du Quaternaire. Elle correspond aux minéralisations que l'on trouve dans les sources des régions de pâturage et de forêts, situés entre 800 et 1000 m d'altitude, dans la partie sud du terrain étudié (cf. fìg. 4.4), ou dans les sources de plaine, dont les bassins versants se situent entièrement ou presque en forêt de feuillus (cf. Partie 3, § 2.2). Nous faisons l'hypothèse suivante: Depuis l'époque de l'infiltration de cette eau, il y a probablement plus de 1000 ans, sa minéralisation totale n'a pas changé. Seul son chimisme a évolué par échanges cationiques entre Ca++ et Mg++ et enrichissement en éléments traces (Sr++, Fe++ et Mn++). Suivant cette hypothèse, la plupart des eaux qui sourdent du Quaternaire déposé sur les grès du Burdigalien et dont la minéralisation totale dépasse 450 nS/cm , ont un héritage chimique secondaire. L'origine principale de celui-ci est à attribuer à la culture en terres ouvertes (augmentation des températures moyennes du sol et accroissement de la production de CO2 biologique) et à l'épandage de produits fertilisants (augmentation des teneurs en Cl" et NO3-, Ca++,etc... cf. Partie 3, § 3.2). Le rapport Ca++/Mg++ est inférieur à 1. Ce phénomène est très rare et s'explique par la cinétique différente des dissolutions de Ca++ et de Mg++ (cf. Partie 3, § 3.4) Dans cette eau, le Na+ est déjà partiellement lié aux bicarbonates (comme dans les eaux plus profondes), car les autres anions ne sont pas assez représentés pour couvrir sa demande. De ce fait, la dureté totale (240-250 mg/l CaCC>3) est plus petite que la dureté temporaire (250-260 mg/l CaCÛ3). Parmi les autres éléments chimiques mesurés, seuls Sr++ et SÌO2 se retrouvent en concentrations importantes. A ce sujet, nous référons le lecteur au Partie 3, § 2. 4.2.4 Interprétation des mesures isotopiques. Les valeurs du 31^O (-10.3 %o) correspondent à l'altitude des plateaux avoisinants (680 à 720 m), si on admet que la relation entre le 31^O des eaux météoriques et l'altitude moyenne des bassins versants était la même lors de l'infiltration de ces eaux qu'actuellement. L'absence de tritium (< 3 UT) dans cette eau montre que la totalité de son infiltration date d'il y a plus de 50 ans. Nous n'avons pas encore appliqué d'autres méthodes de datation. L'ordre de grandeur du séjour souterrain de cette eau dépasse probablement l'OOO ans (SCHOTTERER, communication orale). 5 Captage dans la ville de Wabern près de Berne Dans des conditions morphologiques et géologiques très semblables à celles de Matran (fig. 1.4), mais en zone urbaine à Wabern, deux puits ont été forés à 240 et 260 m de profondeur dans les grès du Burdigalien. A quelques pour-cents près, les paramètres de l'aquifère et les teneurs en éléments chimiques majeurs ne diffèrent pas des mesures faites à Matran1. On conclut qu'il est possible d'extrapoler à d'autres endroits de l'aquifère du Burdigalien, les paramètres déterminés à Matran et à Berne, ainsi que les teneurs chimiques observées. Communication orale de MM Wanner et Haefeli, bureau Kellerhals et Haefeli, Berne. Contribution à l'étude des eaux souterraines de la région de Fribourg Première partie: Eaux de la molasse 51 6 Perspectives de captage des eaux de la molasse L'aquifère du Burdigalien couvre une grande région. Son volume, celui des réserves, ainsi que les transmissivités moyennes correspondant aux zones délimitées en fig. 1.7: Zone No Surface [km2] Epaisseur moyenne Perméab. estimée Transmissivité estimée [m2/s] Volume des réserves m^ 1 82 350 m 5.0-10"7 1.7-10-4 2.85-107 2 87 140 m 5.0-10-7 7*10"5 1.20»107 3 118 40 m 5.(MO-7 2-10"5 4.60-106 En profondeur, les eaux peuvent devenir bicarbonatées sodiques quelques dizaines de mètres avant d'atteindre les marnes de l'Aquitanien. 6.1 Considérations générales Sur la base de l'expérience obtenue par l'étude des eaux à divers types d'émergences dans la molasse burdigalienne, nous proposons le captage des eaux de la molasse marine supérieure pour satisfaire une demande restreinte (2 - 20 1/s) en eau de bonne qualité. Le mode de captage optimal est le puits filtrant profond (plus de 50 m). Il permet de recouper perpendiculairement les bancs et les joints de stratification (perméabilité maximale). Il permet aussi d'atteindre l'eau souterraine dans les systèmes d'écoulement régionaux» à des endroits protégés par de grandes épaisseurs de roche à perméabilité verticale très faible, Les situations géologiques et morphologiques optimales pour l'implantation des captages sont les suivantes: - dépression topographique, lieu d'exutoire des systèmes d'écoulement régionaux, * situation synclinale de la molasse, - grande épaisseur de la molasse marine supérieure. A notre connaissance, aucune expérience de développement local de la perméabilité par acidification des puits implantés dans la molasse marine supérieure n'a encore été tentée. 6.2 Carte des zones favorables Nous proposons, en fig. 1.7, une carte de la région d'étude où sont reportées diverses zones plus ou moins propices au captage des eaux de la molasse marine supérieure. Nous y avons représenté: - l'extension de la molasse marine supérieure du Plateau, - les isohypses présumées du contact entre l'Aquitanien et le Burdigalien, - les zones favorables au captage des eaux de la molasse par puits profond. Le dessin des isohypses de la base du Burdigalien se base sur une carte inédite de BERGER (1982), partiellement modifiée et complétée. Contribution à l'étude des eaux souterraines de la région de Fribourg 52 Première partie: Eaux de la molasse co 3WVVS y/- .y Jl/ X, .rw,'..îÔJi z u -j < \s a D U D < ££ co 3 -J B C u ^ £ o E Ca flR k.1 tu v U. y-r QUI K < ¦<; û-O -J Q >ea X JJ O ^: '-ù \ o - r- \ I \ \ < a oo «s a: £ KîES fil PRES INES QUE DSO NAL mSz < Z ^iSS CLI ICL S3S >¦ Vi < Ü« U Z X x C < < N $V/, 'tyr o %; LU U tu V-. ¦z. O ___L- JS. ^ ^ 20 m + Moraine de fond (?) ? Molasse marine supérieure Post-glaciaire Retrait glaciaire ^¾¾¾? Dernière glaciation ! ¦//.*¦,;." ?,- Progression glaciaire "Interglaciaire" "Complexe rissien" Fig. 2.7: Coupe géologique d'interprétation au travers de l'aquifère de la Tuffière à la hauteur des sources du Graboz. (localisation en fîg.2.3). Lithologies selon la stratigraphie locale du Quaternaire. Contribution à l'étude des eaux souterraines de la région de Fribourg Deuxième partie: Hydrogéologie de la région de la Tuffière 67 Nous n'attribuons au complexe rissien que la moraine de fond dite rissienne qui tapisse une partie du fond de l'ancienne dépression et les dépôts glacio-lacustres qui lui font suite. Le complexe rissien ne comprend pas l'ensemble des sédiments fins sous-jacents au graviers de la Tuffière. L'interglaciaire se compose de graviers fluviatiles peu épais, surmontés par endroits de niveaux limono-argileux lignitifères, puis d'épais niveaux lacustres (argiles et limons). Des limons et sables lacustres d'épaisseur très variable, accompagnés de quelques lits graveleux terminent la série interglaciaire. Ils constituent le début de la séquence de progression glaciaire qui se poursuit par les graviers de la Tuffière. Sous le terme distribution des terrains, nous précisons l'importance relative de ceux-ci au niveau régional et leur distribution géographique sur la base des données géologiques et géophysiques. Le concept que l'on se fait de la genèse de ces terrains est brièvement exposé. 3.1.1 Le substratum molassique La molasse marine supérieure (Burdigalien) constitue le substratum rocheux de l'ensemble de l'aquifère. Il s'agit de grès moyens à fins, glauconieux, en bancs épais organisés en séquences sédimentaires, correspondant à un milieu de dépôt côtier. Nous nous référons à la première partie concernant les descriptions géologique et hydrogéologique de cette molasse. 3.1.2 Le "complexe rissien" a) Stratigraphie Il s'agit d'un complexe de dépôts glaciaires et tardi-giaci aires qui, stratigraphiquement, constituent les sédiments quaternaires les plus anciens connus dans la région. D'après MORNOD (1947, 1949), on trouve à leur base une moraine de fond rhodanienne (argile à blocaux) que cet auteur n'a observé que dans le bassin occupé actuellement par le lac de la Gruyère. Dans la région de la Tuffière, les forages VT62 et VT72 ont recoupé ces sédiments (cf. fig. 2.9 et 2.3) D'épaisses séries de sédiments fins glacio-lacustres (limons et argiles à pierres) surmontent cette moraine de fond. b) Distribution et extension Depuis la région du Bry, jusqu'à Hauterive, les sédiments de ce complexe glaciaire et tardi-glaciaire remplissent l'ancienne dépression de la Sarine en rive gauche du cours d'eau actuel, plus profonde, parallèle et parfois confondue à celui-ci (cf. fig. 2.7 à 2.11 et fig. 2.13). Faute d'observations ailleurs, on limite l'extention latérale de ces terrains au remplissage de la zone axiale de cette dépression. DORTHE (1962) énonce la présence d'une ancienne vallée de la Sarine qui, depuis le Bry, passait par Rossens, Farvagny, Grenilles, Posât et Magnedens puis rejoignait la dépression décrite à la Tuffière. Nous n'avons pas retrouvé d'arguments en faveur de cette hypothèse. POLLAK (1979), durant son étude gravimétrique, ne retrouve pas le surcreusement du soubassement rocheux, supputé dans la région de Farvagny-le-Grand. Nous mettons, par contre en évidence (§ 3.3.6) la continuité de l'ancienne dépression depuis la région du Bry, par l'ouest du village de Rossens et Corpataux jusqu'à la région de la Tuffière (cf. fig. 2.14). Contribution à l'étude des eaux souterraines de la région de Fribourg 68 Deuxième partie: Hydrogeologie de la région de la Tuffière II n'est pas exclu qu'une ancienne dépression de la Glane s'étende depuis la région du Moulin d'Autigny dans le bassin de la Glane, via Grenilles, Posât et Magnedens, jusqu'à Ia Tuffière. c) Origine Il est probablement justifié d'attribuer ces dépôts à la glaciation rissienne mais aucune corrélations fiable n'a jamais permis de le démontrer. Leur age dépasse en tous cas très largement 50'000 ans (cf. § 3.1.6). Les auteurs ont vu dans les dépressions que tapissent ces sédiments, Ia trace d'un réseau fluviatile anté-rissien, partiellement élargi, surcreusé et modelé par les glaces du Riss et comblé de matériel glaciaire et tardi-glaciaire (glacio-lacustre). Les arguments morphologiques suivants parlent en faveur de cette hypothèse: - dépressions étroites, longues et d'orientation différente à celle de Ia progression du glacier du Rhône, - flancs parfois sub-verticaux de ces dépressions. Par contre les arguments suivants font penser à une origine glaciaire de ces dépressions: - présence souvent décrite de sédiments glaciaires ou péri-glaciaires à la base de ces formations (dans la vallée de la Sarine en amont du Bry, MORNOD, 1947) - absence d'indices sur le terrain prouvant la continuité de ces vallées au nord de la ligne Matran - Fribourg. Il se peut que ces dépressions aient été creusées par les glaciers locaux avant l'envahissement du Plateau par les glaces du Rhône. Cependant, la question reste ouverte, faute d'argument convainquant. Si le creusement de ces anciennes dépressions était d'origine fluviatile, elles devraient se poursuivre en direction du N ou du NE et contenir, par places, d'importants gisements d'eau souterraine. d) Propriétés aquifères Ces terrains ont une très faible perméabilité K = 10'^ m/s. Il est possible qu'ils contiennent, à leur base, quelques niveaux métriques de graviers aquifères. 3.1.3 Les sédiments interglaciaires a) Stratigraphie Contrairement à certains auteurs, nous ne classons pas sous ce terme les graviers de Ia Tuffière, mais seulement les sédiments lacustres, glacio-lacustres, fluviatiles et terrestres situés entre Ie complexe rissien et ces graviers. La succession stratigraphique de ces formations, déduite des logs de forages BR4", VT62, VT72 et PF4 (cf. tabi. 3 et fig. 2.7) ressemble à celle de la coupe de référence du Creux-de-l'Enfcr à Pont-la-Ville (fig. 0.10): - sables est limons (0-15 m) - argiles limoneuses stratifiées et argiles bleues (0-20 m) - limons argileux avec lignites et des niveaux de craies lacustres (0-2 m) - graviers fluviatiles sariniens entrecoupés de niveaux métriques d'argiles (0-20 m) b) Distribution et extension On retrouve ces sédiments en dessous des graviers de la Tuffière, depuis le lac de la Gruyère jusqu'aux zones sourcières des SIFR et du Grabe et plus en aval. La largeur moyenne de l'auge ainsi comblée est de l'ordre d'un km. Contribution à l'étude des eaux souterraines de la région de Fribourg Deuxième partie: Hydrogeologie de la région de la Tuffière 69 La plupart des forages exécutés au cours des études géotechniques et hydrogéologiques ont été stoppés dans les premiers mètres de sables et d'argiles interglaciaires, décrits dans ces études comme "Riss imperméable". Les graviers fluviatiles présents à la base de ces sédiments interglaciaires occupent probablement une grande partie du centre de la dépression entre le lac de la Gruyère et la Tuffière. c) Origine Après le dépôt des formations tardi-glaciaires du complexe rissien, un épisode tempéré apparaît avec la sédimentation de graviers fluviatiles, puis des niveaux à lignites (interglaciaire proprement dit). Des dépôts fins lacustres font suite à cet épisode. Les limons et sables directement sous-jacents aux graviers de la Tuffière se sont déposés en milieu lacustre (sédimentation turbiditique). Ils constituent un niveau de transition qui annonce la séquence sedimentai re de progression glaciaire. d) Propriétés aquifères Les formations peu perméables de l'interglaciaire ont un rôle hydrogéologique important. Leurs niveaux sablo-limoneux et graveleux constituent de grands réservoirs à vidange lente dans les graviers de la Tuffière d'une part, mais aussi probablement dans le lit de la Sarine, sous la zone sourcière du Grabe, d'autre part (cf. fig. 2.28 et § 4.5.3). 3.1.4 Les sédiments de progression glaciaire de la Tuffière a) Stratigraphie Il s'agit d'un dépôt monotone de graviers sariniens grossiers mal triés, en sédimentation sub-horizontale (larges barres d'accrétion de méandres). Ces graviers reposent, à l'est, sur la molasse burdigalienne et en discordance sur l'interglaciaire dans la partie centrale et à l'ouest de l'aquifère (cf. fig. 2.8). Avant leur sédimentation, un épisode érosif a donné lieu à la formation de chenaux creusés dans l'interglaciaire et la molasse, lieux actuels des circulations rapides des eaux souterraines en direction des zones sourcières. Des lambeaux de moraine sont parfois imbriqués dans la moitié supérieure de cette série graveleuse. A son sommet, le contact est habituellement franc avec la moraine principale. Cependant, à de maints endroits, on trouve celle-ci imbriquée dans les graviers sous forme d'auges décamétriques très évasées, reliques de la progression des glaces (cf. fig. 2.7). b) Distribution et extension Il s'agit de l'horizon stratigraphique le plus important de la région. Sur une largeur moyenne supérieure à 1500 m et une épaisseur d'environ 35 m, ces graviers forment une large bande presque rectiligne orientée S-N, d'une longueur de 5000 m depuis le Bry jusqu'à la Tuffière. Bien des "graviphages" rêvent d'exploiter une telle réserve! c) Origine Ces graviers ont été longtemps attribués à un épisode fluviatile interglaciaire et nommés de ce fait "graviers interglaciaires". Nous sommes de l'avis de van der MEER (1982) qui attribue ces graviers à la progression würmienne du glacier de la Sarine pour les raisons suivantes: - séquences à granulometrie grossissant vers le haut, - parfois transition progressive vers le faciès moraine, Contribution à l'étude des eaux souterraines de la région de Fribourg 70 Deuxième partie: Hydrogéologie de la région de la Tuffière - imbrication de lambeaux morainiques dans les graviers, - éléments de moins en moins arrondis vers le haut, - absence d'horizons humiques, - sédimentation sub-horizontale de type rivière tressée, - aboutissement logique de toute une séquence de progression glaciaire. d) Propriétés aquifères La base de ces graviers constitue l'aquifère des graviers de la Tuffière. Grâce au fait que le niveau aquifère se situe à une profondeur moyenne de 50 m, ces graviers jouent Ie rôle de collecteur régional des eaux souterraines. Ils drainent et parfois alimentent les formations peu perméables sous-jacentes. Ils sont le lieu des circulations rapides des eaux souterraines vers les zones sourcières. 3.1.5 La glaciation würmienne (moraine principale) a) Stratigraphie Il s'agit d'un complexe formé d'une moraine de fond très compacte, parfois sans structure particulière, parfois stratifiée, surmontée, par places, d'une série très variée de limons à pierres, sables et lambeaux de moraine. Dans le texte, nous nommons ce complexe morainique par le terme de "moraine principale", car ces sédiments constituent une très grande partie des terrains quaternaires du Plateau fribourgeois. b) Distribution et extension La moraine principale est présente presque partout, soit en sub-surface, soit recouverte de formations tardi- et post-glaciaires. Son épaisseur varie entre 0 et 30 m. Entre le Bry et Rossens s'étend un cordon de moraine latérale (cf. fig. 2.12) que nous attribuons à la dernière récurrence du glacier du Rhône (cf. § 3.1.7). c) Origine Nous attribuons ce complexe morainique soit au stade Turicum 2 (T2), soit aux deux premiers stades Tl et T2 de la glaciation würmienne. En effet, des datations dans les graviers de retrait permettent de préciser que ce complexe morainique date d'avant le stade T3 (24'000 - 18*000 ans b.p.) de la glaciation würmienne (cf. § 3.1.6). d) Propriétés aquifères Le rôle hydrogéologique de la moraine principale est de deux ordres. Elle forme en premier lieu une couverture peu perméable protégeant l'aquifère des graviers de la Tuffière, retardant l'alimentation naturelle de celui-ci. D'autre part, elle est le lieu de petits aquifères locaux, donnant naissance à des suintements diffus et à de petites sources dont le débit n'excède rarement 30 I/min. Dans la région du village de Corpataux, on a exploité les eaux de cette moraine dans des puits à très bas rendement. Les sols morainiques, vu leur faible perméabilité, doivent parfois être drainés. 3.1.6 Les formations de retrait glaciaire Nous présentons ici ces formations en bloc, bien qu'il y ait lieu de les différencier en fonction de leur origine et de leur sédimentation. a) Stratigraphie Contribution à l'étude des eaux souterraines de la région de Fribourg Deuxième partie; Hydrogeologie de la région de la Tuffière 71 Des sables, graviers et limons d'origine rhodanienne, très variés dans leur mode de dépôt constituent cette formation. Ils montrent des structures complexes de sédimentation entrecroisée avec de brusques changements de faciès, remaniées par des diapirs, des glissements et des effondrements probablement dûs à la fusion de glaces mortes. On retrouve parfois, intercalés dans ces formations, des lambeaux de moraine. Le long du pied nord du Gibloux, ces formations sablo-graveleuses de retrait sont présentes sous forme de terrasses sablo-graveleuses et de cônes d'alluvions sous-lacustres. b) Distribution et extension On retrouve les formations de retrait glaciaire sur tout le terrain, disposées en paquets isolés, plus ou moins importants. Elles forment souvent les reliefs élevés (monticules et petites collines, si celles-ci ne sont pas de drumlins). Ces formations de retrait ont fait l'objet d'intenses exploitations de graviers. c) Origine Les formations de retrait sont les alluvions fluviali les. limniques et les dépôts in situ formés au cours de la fusion des glaces. Elles contiennent parfois de la matière organique sous forme de débris centimétriques de lignite et, plus rarement de niveaux de tourbe. Deux échantillons de tourbe, intercalés dans des bancs de sable de la graviere Le Chaney, ont fourni des ages radi omet ri ques ^C de 33'970 +330/- 320, respectivement > 55'0OO ans b.p.1: - éch B-5050, coord. 573.360/175.550, alt. 690 m. - éch B-5051, coord. 573.365/175.550, alt. 700 m. Ces deux dates provenant de matériel déposé au dessus de la moraine wùrmienne principale permettent de préciser que le dépôt de celle-ci et des formations de retrait y relatifs a eu lieu avant la dernière récurrence glaciaire (stade Turicum III). Un échantillon de lignite prélevé dans les sédiments périglaciaires deltaïques de la graviere du Bry (cf. PUGIN 1989), sise au sud de la moraine latérale de Rossens, fournit un âge de 20'690 +340/-32O ans b.p. - éch B-5044, coord. 572.900/172.280, alt. 770 m. Les résultats de ces datations tendent à démontrer les faits suivants: - Les sédiments de retrait glaciaire ne sont pas tous synchrones, ils pourraient provenir du retrait des glaces de deux stades différents, l'un plus ancien que 50'000 ans b.p. et l'autre de l'ordre de 20'000 ans b.p. (stade Turicum III) - Lors de leur dernière récurrence, les glaces n'ont déposé aucune moraine de fond importante mais, par contre, ont formé un vallum morainique latéral (moraine de Rossens). * Les analyses ont été faites à l'Institut de Physique de l'Université de Berne, par Mme T.RIESEN à qui nous adressons ici nos grands remerciements. Deux remarques sont à faire au sujet de ces datations: a) Les niveaux de tourbe, matériel extrêmement fragile, ne sont certainement pas des niveaux remaniés, provenant de matériel organique ancien, dépourvu ou presque de 14C, car leur texture n'aurait jamais été préservée. b) Par contamination, un échantillon daté au ^C ne peut, en général, fournir qu'un age plus récent que son age réel, étant donné que la matière organique contaminante contient des teneurs récentes en ^C. Contribution à l'étude des eaux souterraines de ta région de Fribourg 72 Deuxième partie: Hydrogeologie de la région de la Tuffière - Le creusement du canyon de la Sarine peut avoir débuté avant la fin du dernier stade d'avance des glaces. d) Propriétés aquifères Dans la région d'étude, ces formations assurent les rôles de réceptacle des eaux d'infiltration car elles ont une large répartition en surface du terrain, une forte perméabilité à l'infiltration, et une faible couverture (moraine terminale ou sol), rarement peu perméable. Au nord de la rivière Longive, ces formations ne contiennent pas de nappe phréatique et rares sont les sources auxquelles elles donnent naissance (cf. fig. 2.3). Malgré la présence d'épaisses couches de moraine principale, l'eau de ces formations est drainée vers le bas par les graviers de la Tuffière. Les nombreuses dépressions sèches, présentes dans ces formations attestent de leur rôle de vecteur d'infiltration. Au pied nord du Gibloux, par contre, les formation de retrait, déposées en terrasses de käme sur le substratum molassique ou la moraine principale, constituent des aquifères importants, exploités par puits en 3 endroits: - Kaisa d'Avau, 1 km au sud de Farvagny-le-Grand, quatre puits filtrants, débit total de l'ordre de 1*500 1/min (cf fig. 2.3 et analyses XX46, XX47, WW46 et WW47, tabi. 8). - Bois de Bouleire, (cf. fig. 2.3 et analyses MMVl et THVl, tabi. 8), un puits à drains rayonnants, débit de l'ordre de 2500 1/min. - Prouvin, un puits filtrant, débit 500 1/min (cf. fig. 2.3 et analyse XX45, tabi. 8). 3.1.7 Dépôts de la dernière récurrence glaciaire Nous attribuons à ces dépôts, la moraine latérale de Rossens. A l'exception de cette moraine, ces dépôts sont extrêmement rares et peu épais. Dans la région de la graviere du Chaney, par exemple, ils forment un sol pierreux informe de l'ordre de 0.5 à 2 m d'épaisseur. 3.1.8 Les formations post-glaciaires Il s'agit des diverses formations suivantes, déposées après le retrait des glaces: - alluvions fluviatiles et Iimniques dans la dépression de la Longive, - terrasses graveleuses actuelles de la Sarine et de la Glane, - dépôts colluvionnaires de peu d'importance, tapissant le fond des vallons secs de la région entre Glane et Sarine, - dépôts de tuf dans la région des grandes sources. La rivière Longive coule sur des sédiments peu perméables (moraine principale et sédiments fins post-glaciaires) qui favorisent le drainage de sub-surface des eaux vers ce cours d'eau et empêchent, dans la région située entre Rossens et Farvagny, leur infiltration vers le bas, dans les graviers de la Tuffière. Dans le grand méandre de la Sarine à Posieux, les alluvions graveleuses des terrasses actuelles, gorgées d'eau, masquent la décharge des eaux souterraines provenant des graviers interglaciaires (cf § 3.1.3 et 4.5.3). Contribution à l'étude des eaux souterraines de la région de Fribourg Deuxième partie: Hydrogeologie de la région de la Tuffière o O Ed! S »ri r- O O Wl «4 P^ t/î r- 4) 3 O O O O ci r- -»n 13 o O *) 'U e« — Ü C O O T3 N « .2 <-< p- u > O (N ed "O *- *- M 3 O w P • S ^ e - ° o "" .. '5"8I fil M'-l £ o « c o o S U - .S3 .. O "« • w o 'S ^ £, *=¦ O O O »o (N 00 VO \o m Contribution à l'étude des eaux souterraines de la région 74 Deuxième partie: Hydrogéologie de la région de la Tuffière o O r- Is o « r- Vl o O « 4- « V •s 41 = O 800/1 I O 1- •O 'O •o ed CJ «J O 05 O .^- >¦ u M 2 3.2 0 Sl 3së O -fr S'Iti I* s O <« O » 1 S .. « s • o (0 •-h ro te H T3 Contribution à l'étude des eaux souterraines de la région de Fribourg Deuxième partie: Hydrogéologie de la région de la Tuffière 75 O 41 OO a* fï 4> *J Vt ^1- « r» U —4 a M d O rva CQ r------Vt (—¦ Lx. S'1 I SUI] 700 2.2 d) /d) W> <— C S O* C ra U "^ G U O 13 4-t ra CA ai "ni > o rt O w 3 CO U tion O ¢0 ü B* *_> Q) OJ +-• C *Q O O- f- U P bit O C U O U O # a O •S •O J ¦ M (4-4 3 "t . H ut (B f* 4) — I- f: I:]'::':': y s s y e-^ y s / 8- Â\':ll\\iÎ' ' 100 ì ' I i 1 I I I I I 1 i 3 O G «> D S >i P- « 2 (N (U O bb ¦o CS <4-l f« «¦H Iw TJ U > (4 U yi U- fd U "" U) 1 o O «J ^^ O JS C es O a J rt 0) *¦» VJ *0 if P- CS nte 3 1-1 d'i «i (N (N O U Z ¦a CJj ÌM ÖJJ Im O 6 C géo 3 CS O C O «-J D-3 Tl CS O (J C CS O O (Tl *J >. C (U n 6 CuD CS Q) U L* TJ) H E 3 ^ o OO § 8 O O O VO (S OO v> O >n Contribution à l'étude des eaux souterraines de la région de Fribourg Deuxième partie: Hydrogéologie de la région de la Tuffière 11 Signes conventi Sauren non tlpties Sourcil cipte'es /ttierroirs /^ Brinerei el arriéres t'ploilcei Gruitres (t,Ct non t'ploireti * SonoVgel * Gisements foisiliferts —j- touenes fiornontalts ^ Pendigei mesuréi ^f Penoigei etleulit yf Fellies, décrochements * Blocs erritiquts itelii * Amis te blocs erritiqucs Quaternaire 757)1(1 < I • i I t I I i t > ¦ I I < i=-L il1' 4 yvj i i i i i i i i i i i i t i J i V~^T ï i I e ¦ TV» Tuffiirt) fetfir.',^,','. ,',V,',1, i/# Ptrtêust' . ' /Vutiy, ' ( ', i ' i ' i '. '. ' i ' i ' i ' i ' i ' Mähnedehs^' '§' ¦ ' t ' « 'Corpa'tei/x• ' 'Vj [¦ ...........CT ' ' 1^" il......i > • *-' i i i i !f-lTJ Hirns driinès '/j\^\ Cônes de dejection ^ «AV. m De't-ltis.rembliis. illuvioni el coHuvïoni Alluvioni poilvùrm/'ennes Ttlus d érosion. tordi Oe terrines Tuf cele f re —_— J litrns non dri^nés V^tH Tourbière S Terrun en gJmement tree mene d'imctiement Terrain risse Débris des pintes [boulements Depili Fiuviilìlei du Postuùrtn [gririen striti fiés) i i i rt-H-r *! -iTi- Glaciofion de Wurm . ... .......... Sit/es etgmWersderetn/t ^^KFarvaghu It1 ^â/7^VTVTVTvV ! ' /?&Ov>(S" ! ' ! ' I \ ' ! \ ' ! SlSl^ .. „_____ ï.^av i Lj i'ii..........¥""v i i\Vù-rî ( • i j i i i i . i •NfSSrììyl-.. ', 'Rossèns, Vi Hums moriîniquts Harune informe Nor i ine grive lei/se Argile i b loti ut Argile i blociu/ trtt jrtre'evst Interçlacigire Ritt-Würm $ raviers Avril Mes Ùip&'S /irust-rti irre lignites 6la c'a ri on de Hiss i I ^sJ I I Vt^ •Si i i 1IIi i i i i ' i i h ' i i i ' i i i i i i i i i ' i i i .'if J',!mil i i i i i i i i\i i ¦.......».....• • kiii'/Tcaw .. . i t i i i o 1¾ i i i i i i i...../J i i. '.;-'T«£iî,ï V i i i i i i i » i i......ili iliHirirt :>î )**¾? J •..¦Ufi-i Mt •*¦* i i i ' i ' \JL—L**r3_y*i Cnetiui i 1 . îfeà1^ i • i i t~—"7 i A fTi ' ' \.....l.......'1J ¦*& g j tr»~J Srifitrt strth'fiit obliquement 'iv/v' ' 1>* Jr tlrC^ûi ^relies, limons,ubiti fti.'.. km d ff/»co -'fremirei »Aç ' , ' , ' , ' , 'aJ. ' ,o ¦> ' , ' ^^0^!1¾*¾¾'! ' i ' ¦ ' ¦ ' • ' i S »oninei How '". .,1J i ' , \C/V ' ' ' ' ^TV*2^ TXJr . ' . ' '.J ^- il i « i i i y,,—.;j i i i i ¦ r Vi i i "JXIiTt ï i \'^*^"*-¾¾* •. •. • m i3y y^.;>\ •, «¦, 1^xI -¦ "in.......\f \V/Wfi ï ' ' ¦ ' ' ' ' ï\"/i\'/'ll> ' i •......V-*. •'• J i i i i i ¦ i i Tertiaire (Molasse] Molasse du Plateau Helvéiïen ? i i i i i .i i i _ i i i>t i i lÊËil »rit III ¦ I i i i i i[/ \ '^.iiSniJfl ' ^^^~Slrf^^ It^! ' ' ' ' ' «V1 ' ' '/' ' ' 11 ' • ' • '. '. ' i ' i ' 'V-v-'- If ^s ^if-ii'f'\ ^rstv \ > '^,'^''AIl • ' i/ « « • ' ' ' i i i i i i i i *• Or ¦* lüjr2'3?if'"¦ i • i i i \ï ¦' inj'ïji i ' • ~ im-i /i i i i».......w î^S&Xr-Z??- ' " «.¦" '?Äi i r^i / ' ' i i • • i > iJfi i 11-¾?-+-* /CîvJKi ' i r Holme sous fiible courerturc mortinique ou élu/nie Burdigalien ? Molisst iFfleurante /ioltise ipui filblf eourerhire mortinique ou eluritl* Ao u it a m'en ? /fo/tise sous Fiible couverture i i mortmiqve ou (luritle ' Molasse subalpine Chat tien supérieur ^^^T*| Udine iws f*iè/t ceurerh,rt 1>N>| mortinique ou e lutili t i i l'i I -if 'iii J^\ i j, i ¦ t i i .j(V it. ' i if'.\'.A WtC-S ' ¦ 'I ¦ ' i ' *" ' I /Lt 'nine v \i,it'' i T. i i K , s J-Jv >!^M I i I ' ' tJ-~s ' JCn=' i. Sr i i ¦ *' i ^\^it^X3^ lit» ¦ ' ^=A ¦ i/^-vT 1.-U1^r......j>^ i Ja * i i il O .„ *tl t ' I I ÏJ I I I f' V Pont layHle' ~ 'iiii SQ. *i ' ,L^ i*ti if i . '1I1.1/ * Villars , 1^ .,d'Avtu* J%^P%LJ ',' /', T* .<', i ^vss^^r**" les irfol/et/resw* '.'¦'.^ivy'i' Fig. 2.12: Carte géologique de la région de Ia Tuffière, détail extrait de DORTHE (1962) Contribution à l'étude des eaux souterraines de la région de Fribourg 78 Deuxième partie: Hydrogéologie de la région de la Tu/fière Graviers fluvia- tiles + 630 m Argile bleue _NAQ PO Argiles rubanées Horizon lignitifère (@ <3> Graviers Lacune d'observation Lacune d'observation G5 äo © Argile Graviers Sables + 576 m, fin de forage &> ® <2> J O O ~ J-TZ^t-T] —* NAQ EN CHARGE O Fig. 2.13 tirée de SIEBER(1974): Esquisse stratigraphique des niveaux interglaciaires, avec mise en évidence des niveaux graveleux et lignitifères de l'interglaciaire. 3.2 Géométrie du système Outre l'étude géologique, celle des forages et l'application de diverses méthodes géophysiques ont permis de mieux décrire la géométrie des terrains. Nous avons particulièrement poussé les investigations au moyen de la méthode électroma- gnétique VLF-R multifréquences, dont les résultats sont présentés au § 3.3. 3.2.1 Forages Dans la région étudiée, on recense plus de 250 forages et sondages, exécutés pour les raisons suivantes: - prospection hydrogéologique, - forages VT pour sismique pétrole, - études géotechniques (pour la RN 12, principalement), - prospections de graviers, - captage d'eau souterraine. Contribution à l'étude des eaux souterraines de la région de Fribourg Deuxième partie: Hydrogeologie de la région de la Tuffière 79 Les principaux forages, d'importance primordiale pour la connaissance des structures profondes ainsi que la mesure des niveaux piézométriques, figurent au tableau 3 (localisation en fig. 2.3). 3.2.2 Etudes géoélectriques La carte géoélectrique AB-200 m (fig. 2.6), compilée sur la base d'un document de MEYER de STADELHOFEN (1977), donne un bon aperçu de l'importance des graviers de Ia Tuffière. Ce document était primordial pour délimiter l'extension latérale de ces graviers (fig. 2.3). Les plages de hautes résistivités (>250 Q*m) sont générées en général par les graviers de la Tuffière mais aussi par les graviers de retrait (régions de Le Montet et le Chaney) et par la molasse burdigalienne sub- affleurante (région située entre Rossens et Illens). A certains endroits, les résultats du traîné AB-200 m ne permettent pas de détecter les graviers de la Tuffière, car ils se trouvent sous des paquets épais de sédiments conducteurs (moraine principale et sédiments glacio-lacustres tardi-glaciaires). Il s'agit principalement des régions du village de Corpataux, et de In Riaux, entre Rossens et Farvagny-le-Petit. En général, les sondages électriques sont difficilement interprétables à cause de la structure lenticulaire des terrains et des empiétements latéraux sur des formations de résistivité différente. Les sondages interprétables (AB 360 m) que nous avons effectué particulièrement le long du profil VLF 1 (cf. § 3.3.6, a) et dans la région du forage S4 donnent des résultats en accord avec ceux des sondages VLF-R. 3.2.3 Prospection gravimétrique POLLAK (1979) a effectué deux profils gravimétriques au travers des terrains étudiés, entre Ecuvillens et Illens, respectivement entre Farvagny-le-Grand et Illens. Ils ont permis de mieux définir l'allure de la dépression creusée dans le substratum molassique. 3.3 L'étude géophysique VLF-R 12-240 KHz L'application de cette méthode a abouti aux résultats suivants: - contribution à l'élaboration de diverses coupes géologiques d'interpréta- tion (fig. 2.7 à 2.11) au travers des terrains aquifères, en déterminant à de maints endroits, le long de profils de mesures, la cote de la base des graviers de la Tuffière, la nature et l'épaisseur de leur couverture, la nature de leur substratum ainsi que leur extension. - étude de l'anisotropie directionnelle des divers terrains, - détection de chenaux résistants étroits et profonds, - étude de la nature du remplissage dM,anciennes vallées". La région de la Tuffière se prête bien à l'application de cette méthode d'investi- gation à cause des aspects suivants suivants: - terrains très lenticulaires et hétérogènes en sub-surface - profondeurs d'investigation nécessaire jusqu'à 80 m - forts contrastes de résistivité entre les graviers de la Tuffière et les autres terrains. Pour une présentation de cette méthode, et un test des techniques d'interprétations, référence est faite à l'Annexe A. Contribution à l'étude des eaux souterraines de la région de Fribourg 80 Deuxième partie: Hydrogéologie de Ia région de la Tuffière 3.3.1 Mise en oeuvre de la méthode VLF-R En chaque point de mesure, on établit les valeurs de la résistivité apparente et du décalage de phase relatifs à 3, parfois 4 ou 5 fréquences différentes, réparties entre 12 et 240 kHz. Les fréquences aisément utilisables étaient les suivantes: - direction N-S: 234, 183, 112.7, 81.0, 60.0, 23.4, 19.6, 19.05, 16.4, 12.1 - direction E-W: 162, 111.9, 75.0, 50.0, 28.5, 15.1 En traîné multifréquences, nous avons procédé le plus souvent possible à des mesures en direction N-S, utilisant les fréquences suivantes: canal 1 canal 2 canal 3 canal 4 183 KHz 81 ou 60 KHz 19.05 ou 19.6 KHz 12.1 KHz L'avantage de cette association de fréquences est de pouvoir utiliser l'émetteur à 12.1 KHz, fréquence d'émission la plus basse qu'il est possible de capter et pour laquelle la profondeur d'investigation (P) est par conséquent la plus grande: (P = 4.6- VRa [ßTn]). L'interprétation des mesures s'est faite au moyen des méthodes Fit, Minim et Graphique décrites en Annexe A. En mesures pluridirectionnelles, nous avons habituellement choisi les émetteurs de basses fréquences suivants: Canal: 1 2 3 Azimut: N-30° N-90° N-150° Fréquence: 17.1 KHz 15.1 KHz 19.05 KHz A la station de mesure, on déplace le dispositif autour d'un point central pour opérer les mesures relatives à chaque fréquence dans la direction correspondante. 3.3.2 Résistivités des terrains Les résistivités moyennes des principales formations sont les suivantes: - Formation des sables et graviers de retrait glaciaire: habituellement 200 à 350 Q «m, avec valeurs extrêmes passant de 80 à 850 Q *m, grande anisotropic directionnelle des résistivités: 1.2 < Rmax/Rmin < 4.1. - Moraine principale: 75 - 140 ß*m, faible anisotropie directionnelle des résistivités: 1.05 < Rmax/Rmin < L55. - Graviers de la Tuffière (non saturés): 500 - 1200 Q«m, anisotropie directionnelle des résistivités: 1.3 < Rmax/Rmin < 2.1 (valeurs approximatives). - Graviers de la Tuffière saturés: 150 - 250 Q*m. - Argiles et limons interglaciaires et sédiments du complexe rissien: 30-60 n»m, sables intcrglaciaires jusqu'à 90 13 »m. - Molasse burdigalienne: 110 - 190 Q «m avec valeurs extrêmes passant de 95 à 450 Q«m, anisotropie directionnelle des résistivités: 1.1 < Rmax/Rmin < L6. 3.3.3 Base des graviers de la Tuffière (substratum) La base des graviers de la Tuffière se situe souvent à une profondeur comprise entre 30 et 70 m. Sa cote n'a pu être déterminée en sondages de fréquences VLF-R que lorsque les deux conditions suivantes étaient réalisées: Contribution à l'étude des eaux souterraines de la région de Fribourg Deuxième partie: Hydrogéologie de la région de la Tuffière 81 - couverture des graviers relativement homogène et suffisamment "perméable" à la méthode VLF, - présence, sous les graviers de sédiments fins, électriquement très conducteurs. Il existe toujours, sur les graviers de la Tuffière une couverture électriquement conductrice fine (sol, alluvions) ou épaisse (moraine). Cette succession C/R1 fait que la présence des graviers se marque par des phases inférieures à 45° dans le sondage VLF-R (cf. fig. A.4 - A5). Pour que l'on puisse déterminer la cote de la base des graviers, il faut que l'épaisseur de cette couche conductrice ne dépasse pas 50 % de la profondeur d'investigation du sondage^. En outre, aux endroits où la couverture des graviers est constituée de 2 couches à résistivité très différentes (graviers de retrait sur moraine principale) et dont les épaisseurs respectives dépassent 10 m, il était rare de pouvoir déterminer la cote de la base des graviers de Ia Tuffière avec précision. La présence des graviers de retrait en épaisseur significative (>10 m) cause souvent des problèmes pour les sondages de fréquence à cause de leur anisotropie directionnelle prononcée. Une couche électriquement très conductrice sous les graviers de la Tuffière (en l'occurrence les limons et argiles interglaciaires ainsi que les sédiments du complexe rissien) provoque, dans le sondage de fréquence VLF, une forte augmentation de la phase relative aux canaux de très basse fréquence (12 - 20 KHz). C'est grâce à cette augmentation de phase, jusqu'à des valeurs proches ou dépassant 45°, que l'on peut déterminer la cote de la base des graviers, alors que la résistivité relative aux mêmes fréquences de mesures n'a parfois pas encore réagi à la baisse (cf. fig. A.4 et fig. 2.14). Lorsque les graviers de la Tuffière reposent directement sur la molasse burdiga- lienne (frange est de l'aquifère), le contraste de résistivité, trop faible, n'influence pas assez les phases et résistivités relatives aux canaux de basse fréquence. Dans ce cas, il n'est pas possible de calculer la cote de la base des graviers. 3.3.4 Couverture des graviers de la Tuffière: Nature et importance La couverture des graviers se compose généralement de moraine (moraine principale: 75 - 140 Î2»m), surmontée de limons et d'éluvions (60 - 100 Q »m) ou de sables et graviers de retrait (80 à 850 fì»m). Les terrains qui surmontent la moraine principale possèdent des caractéristiques très défavorables pour l'application des méthodes géophysiques: - structure lenticulaire, - anisotropie directionnelle des résistivités électriques, - passages latéraux brusques à des propriétés très différentes, - épaisseurs très variables des formations (0-30 m). Lorsque l'épaisseur des terrains faiblement conducteurs augmente (exemple de la moraine principale dans la région de Corpataux, aux stations 1-5 en fig. 2.15), les résistivités apparentes mesurées en traîné VLF-R, comme celles des traînés géoélectriques classiques chutent, laissant supposer que les graviers sous-jacents ont disparu. Cependant, une chute de la phase VLF aux canaux de basse fréquence permet de déterminer si, dans la profondeur d'investigation de la mesure, les graviers existent encore et, le cas échéant, d'en calculer la cote du toit. 1 C/R = Terrain électriquement conducteur sur un résistant. 2 La profondeur d'investigation du sondage dépend de la plus basse fréquence de mesure et de la résistivité apparente y relative, (cf. Annexe A). Contribution à l'étude des eaux souterraines de la région de Fribourg 82 Deuxième partie: Hydrogéologie de la région de la Tuffière -W-L 'NAHD S3J13UI U3 S3103 Fi6. 2.14 a): Profil VLF 1 entre Le Rosset et la Pérrâla. Contribution à l'étude des eaux souterraines de la région de Fribourg Deuxième partie: Hydrogéologie de la région de la Tuffière 83 3.3.5 Détermination de l'extension des graviers de Ia Tuffière Elle s'est faite sur la base des profils de mesure VLF (fig. 2.14 - 2.17) et, par extrapolation, grâce à la carte des résistivité apparentes AB-200 m (fig. 2.6). 3.3.6 Les profils de mesures La prospection a consisté en 4 profils de sondages de fréquences (3-5 fréquences) au travers des différents terrains. Les profils 1 et 2 ont contribué à l'établissement de deux coupes géologiques d'interprétation (fig. 2.9 et 2.10). a) Profil 1 entre Le Rosset - La Penala (fìg. 2.14) Grâce surtout à l'absence de formation de sub-surface résistante et hétérogène et à la présence d'un substratum très conducteur, la cote de la base des graviers de la Tuffière a pu être déterminée de manière optimale, sur la presque totalité du profil. Les forages S5, VT72 et S3 (cf. tabi. 3) ont permis de caler les mesures. Entre les stations 8 et 78, on remarque que les résistivités relatives au premier canal (183 KHz) sont plus basses que les valeurs mesurées au troisième canal (situation C/R) et que, dans le même temps, les phases passent de valeurs inférieures à 45° (situation C/R) à des valeurs supérieures à 45° (situation R/C). Fig. 2.14 b): Profil VLF 1 entre Le Rosset et la Pérrâla, détails au travers du sillon supposé de Montoliet. Contribution à l'étude des eaux souterraines de la région de Fribourg 84 Deuxième partie: Hydrogeologie de ta région de ta Tu/fière SdjSsp U3 B3SBl{tf 6B6HJY-I2 'NAH3 (ui/uiqol <*<** OHH S3J13U1 03 S3!03 :3[Boiij»a uoi^BJsSexa Fig. 2.15: Profil VLF 2 entre Farvagny-le-Petit et le Montet. Contribution à l'étude des eaux souterraines de la région de Fribourg Deuxième partie: Hydrogéologie de la région de la Tuffière 85 Entre les mesures 1 et 5, l'épaisseur des sédiments conducteurs (50 - 80 Q • m ) recouvrant les graviers est supérieure à 30 m. Seules les valeurs relatives au canal de basse fréquence permet de se rendre compte de la présence des graviers sous- jacents (augmentation de Ra et baisse de 4>). La profondeur d'investigation des sondages n'est pas suffisante pour atteindre la base du chenal graveleux. A la base des graviers se profilent 2 sillons importants, l'un dans la région de Champ du Poirier (stations 66 - 74) et l'autre dans la région de Montoliet; le sillon d'Illens n'est pas mis en évidence sur ce profil pour la raison citée ci-dessus. En fig. 2.14 b, 3 petits profils transversaux détaillent l'allure possible du sillon de Montoliet. Nous notons au passage que la ligne électrique qui traverse la petite plaine de Montoliet (fig. 2.9) n'a pas perturbé les mesures car elle était hors- service pour cause de remplacement au moment des mesures. b) Le profil 2 entre Farvagny-le-Petit et Le Montet (fig. 2.15) Ce profil se situe sur un secteur relativement étroit de l'aquifère. De la mesure 1 à la mesure 19, un terrain électriquement conducteur surmonte la molasse marine supérieure, détectée dans les forages 4F134 et 4F135 (cf. tabi. 3). Entre les mesures 38 et 52, le profil passe sur la colline graveleuse du Devin (graviers et sables de retrait), plaquée sur un terrain électriquement conducteur. En dessous, on détecte un corps résistant grâce surtout aux mesures effectuées sur la fréquence 12 KHz. Entre les mesures 53 et 65, environ 10 à 15 m de terrain à 120 fì »m surmontent une couche conductrice de 10 à 15 m d'épaisseur, à 80 Q-m (probablement moraine principale), plaquée sur les graviers résistants (phase <45° au canal de 19.6 KHz). La base de ces graviers a pu être suivie aux stations 53, 54, 56, 60, 62, 64 et 65 grâce aux mesures à 12 KHz. Plus à l'est, la structure du milieu change totalement. Les terrains mesurés entre les stations 67 et 71 sont isotropes avec des résistivités électriques proches de 200 Q »m et une phase oscillant entre 44 et 46° à tous les canaux. Nous interprétons ces mesures comme une brusque remontée du substratum molassìque. Tout à l'est, on retrouve un petit sillon graveleux (300 Q*m) évasé, reposant sur la molasse et visible à l'affleurement, dans la pente à l'est de la mesure 79. c) Profil 3 entre Rossens et Farvagny-le-Grand (fig. 2.16) Dans la partie centrale de ce profil, on ne détermine que l'épaisseur des formations qui recouvrent les graviers de la Tuffière, mis en évidence entre les stations 1 et 47. La cote de la base de ceux-ci n'a pu être calculée qu'entre les stations 1 et 12. Ailleurs, la profondeur d'investigation de la méthode n'est pas suffisante. Entre les stations 47 et 69, des niveaux électriquement conducteurs (80 - 100 Q*m) surmontent un résistant (probablement molasse). Les stations 70 et 71 se situent à proximité du puits de Kaisa d'Avau (cf. § 1.2 et 3.1.6), implanté dans les formations de retrait glaciaire. d) Profil 4 entre Farvagny-le-Petit et La Ferrala (Bois de l'Abbaye) (fig, 2.17) Sur la partie sud de ce profil (stations 122 à 144), on retrouve des graviers surmontés de terrains conducteurs peu épais et reposant sur un corps électriquement très conducteur. La base de ces graviers forme un petit sillon qui est probablement le début, au SE, du sillon de Champ du Poirier (profil 1). Il ne nous est pas possible de déterminer la nature du corps conducteur (60 - 80 Q -m), situé sous ces graviers. Il pourrait s'agir de sédiments apparentés à l'interglaciaire ou au complexe rissien. Au nord du profil, un terrain de 120 à 150 ß»m (10 à 15 m d'épaisseur) surmonte un résistant 180 - 200 fì-m, probablement la molasse. Contribution à l'étude des eaux souterraines de la région de Fribourg Deuxième partie: Hydrogéologie de la région de la Tuffière sajSap Ud SdSBq1J 696HdHZ 'NAHD 11 I I ,1 I I .1 S3J13UI na sai03 Fig. 2.16: Profil VLF 3 entre Rossens et Farvagny-Ie-Grand. Contribution à l'étude des eaux souterraines de la région de Fribourg Deuxième partie: Hydrogéologie de la région de la Tuffière 87 Reproduit avec l'autorisation du service *%¦ cantonal du cadastre du 12.11.1990 S J3 O a. « o Cd PKOFIL PARYAGNY LE PETIT-BOIS DE L'ABBAYE 600, 40J 500 m 70. res 60. *afl 50. T3 40 Ci 30. 2U. O) ¢0 Ä CU. « E m il X O 710, 700, 690_ 680. 670, 660. 650. 640. 630, 620_ 610. 600, r -7 "100 r.200 Û• O E CO > 2000 4000 6000 8000 10000 12000 Débit [l/min.] 14000 16000 Fig. 2.20: Etats hydrodynamiques pseudo-stationnaires entre le lac et les sources: Relation entre les niveaux du lac et les débits totaux aux sources SIFR, d'une part et, d'autre part, les débits d'alimentation de l'aquifère par le lac. 4.3.3 Relation entre les débits aux sources SIFR et Baume La fig. 2.21 présente la relation entre Ie débit cumulé de six sources de la Baume et celui des sources SIFR. A ces six sources s'écoulent environ 68 ±4 % du débit total de la zone sourcière de la Baume. Sachant que le débit moyen aux SIFR est de 11 m3/min, nous déduisons celui des six sources mentionnées à 1.9 ± 0.2 m3/min et le débit moyen de la zone sourcière de la Baume à 2.7 ± 0.4 m3/min. La relation déduite est la suivante: QBaume tot. - _Q.33-QSIFR -1730 0.68 [l/min] Fig. 2.19: Zone sourcière des SIFR: - Evolution des débits aux exutoires SIFR et des niveaux au piézomètre S5 dans le sillon d'Illens, en fonction du niveau du lac de la Gruyère. Les niveaux filtrés sont calculés par moyenne mobile sur 107 valeurs journalières. - Evolution de la conductibilité électrique aux principales sources des SIFR (20-26), à la source B3 de la Baume et dans le lac, pour la cote 667 m. Localisation des points d'eau en fig. 2.3 et 2.18. Contribution à l'étude des eaux souterraines de la région de Fribourg 94 Deuxième partie: Hydrogeologie de la région de la Tufftère 4.3.4 Distribution des débits aux sources SIFR et Baume La fig. 2.22 représente les courbes de débits classés aux sources SIFR pour les périodes de 1977 à 1987, respectivement d'octobre 1984 à septembre 1987, l'histogramme de répartition des débits totaux aux sources SIFR (de 1977 à 1987) et l'histogramme correspondant des niveaux du lac de la Gruyère. Les débits fluctuent dans une fourchette relativement étroite (Q347/Q18 > 0.55)1, autour d'une moyenne de 10.5 - 11.0 m^/min. La répartition des débits montre deux modes principaux avec maxima autour de 9.75, respectivement 11,6 m^/min, qui correspondent aux périodes de stagnation des niveaux du lac à -3.5 et -2.0 m. Débit SIFR (i/mln) 13000 . 12000 - 11000 . 10000 ¦ 9000 . 8000 1000 Débits SIFR / Débits Baume 1500 2000 2500 3000 Débit Baume (l/min) 6 source» cumulées Fig. 2.21: Corrélation entre le débit cumulé de six sources de la Baume et Ie débit total des sources SIFR. Ql8 et Q347 = Débit dépassé durant 18, respectivement 347 jours par an Contribution à l'étude des eaux souterraines de la région de Fribourg Deuxième partie: Hydrogeologie de la région de la Tuffière •^ 16000 E ZZ, 15000 •O 14000 Q 13000 12000 11000 10000 9000 80Q0 7000 6000 I ¦ ¦ - ¦ ________I________.—I—I—I—'—I—I—I—I—I—>— \ --------période de 1977 à 1987 ; \\ ------- période de 1984 à 1987 \ \ \ \ V^ \ ^S. "V \ X N. "". >. "** v. —^_^ *» "* ¦*- "*" "** ^s. X \. V, X. "». ^-------V^ "¦«. ^-^ N ^¦n^V "*V *i X. N \\ \v N. s. ^^N >Ok \ ------r------1------1------|------1------1-----t—,------1-------1------1------1------1------1------1------T-T------1------<------ 140 -20 -18 -16 -14 -12 -10 -8 -6 -4 -2 Niveaux du lac de 1977 à 1987 140, 6000 7000 8000 9000 10000 11000 12000 13000 14000 15000 1 6000 Débits SlFR 1977 - 1987 Fig. 2.22: - Débits classés aux sources SIFR. - Histogramme de répartition des débits aux sources SIFR. - Histogramme de répartition des niveaux au lac de la Gruyère. Contribution à l'étude des eaux souterraines de la région de 96 Deuxième partie: Hydrogéologie de la région de la Tuffière Pluie efficace hebdomadaire [mm) 0 20 40 60 80 641 640.5- 640 - 639.5- IF 1 634.5- 633.5 - 633 - 632.5 - 627 - 626.5- 626 - X 25,5 's'o'n "dIj'f'm'a'm'j'j'a's'o'n'oIj'f'm'a'm'j'j'a's'o'n'o j1 f'm'a'm'j V a's' o' S3 FF 1985 1986 1987 Fig. 2.23: Evolution temporelle des niveaux piézométriques à l'amont de la zone sourcière du Grabe. (Localisation des points d'eau en fig. 2.18). Contribution à l'étude des eaux souterraines de la région de Fribourg Deuxième partie: Hydrogéologie de la région de la Tuffière 97 4.4 Débits à la zone sourcière du Grabe A la zone sourcière du Grabe, Ie débit total moyen des sources se compose de la manière suivante: Sources du Graboz (G2-G5) Sources SGT (Tl et T2) + Gl Sources non captées Total: 840 1/min 480 1/min 450 1/min 1770 1/min 4.4.1 Evolution des débits et de la piézométrie Les débits aux différentes sources jeaugeables de la zone sourcière du Grabe évoluent à la manière d'une sinusoïde saisonnière, avec des maxima entre avril et juillet et des minima entre décembre et février. Sur la fig. 2.23 et 2.24, on remarque que cette évolution est synchrone à celle des niveaux piézométriqucs en amont des sources. Les amplitudes de variation paraissent plus grandes sur le bord nord du chenal Crausa (source G5 et piézomètres FC et PF3); elles sont plus faibles sur le rebord sud de ce même sillon (piézomètre S4) à cause du "déversement" vers le sillon de Montoliet. Les niveaux aux piézomètres S2 et S3, situés à 1.1, respectivement 1.7 km à l'amont de la zone sourcière évoluent avec un retard plus grand sur les pluies efficaces (60-65 jours) que dans la région des exutoires (45-50 jours). Durant plusieurs périodes, les débits et les niveaux piézométriques ont été perturbés par divers essais de pompage aux puits PFl, PF2, PF6 et FG. Débit sources Graboz 2,3,4,5 depuis le 1.1.1986. 450 400 350 300 250 ¦ 200 g 150 100 50 J 1F1M1A1M1J 'J 'A' S' O' N'D 1986 JXp1M1A1M1J1J 1A1S1 1987 Fig. 2.24: Evolution temporelle des débits à diverses sources de la zone sourcière du Grabe. (Localisation des points d'eau en fig. 2.18). Contribution â l'étude des eaux souterraines de la région de Fribourg 98 Deuxième partie: Hydrogéologie de la région de la Tuffière Tz moo I " 1300 j5 y» D 1200 1100 1000 900 800 700 600 500 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 pour-cent Fig. 2.25: Débits classés aux sources du Graboz. 4.4.2 Distribution des débits Les débits aux sources du Graboz (G2-G5) oscillent entre 520 et 1250 1/min. De l'histogramme des débits cumulés (fig. 2.25), on déduit les informations suivantes: Période 1979-85 Période 1984-87 Débit moyen 840 1/min 830 1/min Q347 580 1/min 540 1/min Ql8 1125 1/min 1100 1/min 4.4.3 Relation pluie - débits La relation entre pluies et débits peut être figurée par analyse corrélatoire (MANGIN. 1984), par étude de crue ou par décomposition de l'hydrogramme au moyen d'une technique de déconvolution . Le corrélogramme croisé entre pluies et débits (fig. 2.26) montre que les impulsions d'entrée des pluies sont fortement amorties et restituées avec plusieurs semaines de retard aux exutoires: Les courbes 1 et 2 sont construites sur la base des pluies journalières, respectivement des pluies efficaces journalières. Les coefficients de corrélation optimaux ne dépassent pas 0.12 et le décalage entre les épisodes pluvieux et les maxima de débits sont de l'ordre de 45 à 50 jours. Ces deux courbes représentent l'allure générale que devrait avoir l'hydrogramme unitaire de ce groupe de sources. Contribution à l'étude des eaux souterraines de la région de Fribourg ¦ ________1________>- période de 1979 à 1985 période de 1984 à 1987 T-----T Deuxième partie: Hydrogéologie de ta région de ta Tuffière 99 Les courbes 3 et 4 sont obtenues de la même manière mais en filtrant préalablement la chronique des pluies efficaces par moyenne mobile sur 59, respectivement 179 jours. Le filtre de 59 jours est le plus large et celui qui donne la meilleure corrélation entre les deux chroniques, avant que la forme générale de la courbe de corrélation ne soit déformée par distorsion comme à la courbe 4. Les courbes 5 et 6 sont obtenues sur les chroniques hebdomadaires et mensuelles de pluies efficaces et de débits. Dans l'ensemble, la forme de la relation entre les pluies et les débits reste la même, que l'on travaille au pas de temps journalier, hebdomadaire ou mensuel. En fig. 3.42, la source G3 est comparée au moyen de cette méthode à d'autres types de sources. Une étude de crue proprement dite est difficilement applicable à ce type de source puisque la réponse impulsionnelle s'étend sur plusieurs mois. Il est nécessaire d'utiliser, pour ce faire, un pas de temps unitaire de l'ordre de la semaine ou plus grand encore. Coeff. cor ---------------PxII. nw»-0 ------• ¦ - - P.*ff. sem-0 —---------Px(I 179-0 - - • - P^II 59-0 ---------------P*ll.-Q »71-UO- (LlS- ¦y ¦"'" ""'-¦-. U0- '/">¦¦----------------------------------------------------------------------... s ¦' ¦ . IiS-0»-(Hi-I aie— us-uo- y S y Ui -UO- y -- • 's / ""-"¦¦¦—. 5 s y OB-U)- <^ ^^^^^lÌ . G. na«»nik*nn Jours CORRELOGRAMMES ENTRE LES PLUIES ET LES DEBITS AUX SOURCES OU GRAB02 Fig. 2.26: Corrélogrammes croisés entre la pluie (= P) et le débit (Q) à la zone sourcière du Grabe, pour les données relatives à la période du 1.10.84 au 30.9.87: 1: P journalières - Q totaux journaliers. P efficaces journalières - Q totaux journaliers. P effic. journ. filtrées par moyenne mobile sur 59 jours - Q tot. journ. P effic. journ. filtrées par moyenne mobile sur 179 jours - Q tot, journ. P efficaces hebdomadaires - Q totaux hebdomadaires. P efficaces mensuelles - Q totaux mensuels. Contribution à l'étude des eaux souterraines de la région de Fribourg 100 Deuxième partie: Hydrogeologie de la région de la Tuffière 4.5 Alimentation 4.5.1 Alimentation par le lac de la Gruyère Le lac de la Gruyère alimente l'aquifère de la Tuffière en deux endroits dans la région du Bry et de Pont-en-Ogoz où Ie cours épigénique de la Sarine a recoupé la trace de l'ancien sillon (cf. fig. 2.11). L'étude physico-chimique (§ 5.5.3) a permis de quantifier les proportions moyennes d'eau provenant du lac aux zones sourcières des SIFR (46%) et de la Baume (68%). Sur cette base, on détermine un débit moyen non tributaire du lac à ces zones sourcières de 5800, respectivement 900 1/min. Ces données et l'étude des états pseudo-stationnaires (niveaux du lac et débits aux sources plus ou moins constants sur au moins deux mois) permettent de quantifier l'alimentation de l'aquifère par le lac. La fig. 2.20 montre la relation en états pseudo-stationnaires entre le niveau du lac et le débit aux sources SIFR, d'une part et, d'autre part le volume total d'eau cxfiltré du lac par unité de temps. Cette dernière valeur est calculée sur la base des débits aux sources SIFR et Baume.. Pour ce calcul, nous avons admis les deux approximations suivantes: - la totalité de l'eau qui sort du lac réapparaît aux sources SIFR et de la Baume, - le débit non tributaire du lac aux deux zones sourcières est constant. On observe que le lac commence à alimenter l'aquifère de manière significative à partir de 12 m en dessous de sa cote maximale. Lorsque Ie lac est plein, le débit d'exfiltration est supérieur à 12 nw/min, ce qui correspond à un cinquième du débit minimal de restitution du barrage de Rossens. Le débit aux sources SIFR peut dépasser alors 15 m^/min. Sur la fig. 2.19, on remarque que la réaction d'augmentation du débit aux sources SIFR est plus lente (70 jours) que la réaction de baisse de débit (50 jours) lorsque Ie niveau du lac chute. Ce phénomène peut être expliqué par le fait que lorsque le niveau du lac monte, Ia vidange de l'aquifère n'a lieu que dans la direction des zones sourcières alors que lorsque le niveau du lac descend, cette vidange est plus rapide, car elle a aussi lieu dans le lac par inversion locale et temporaire des gradients. Pour expliquer plus précisément ce phénomène, il faudrait disposer de points d'observations (piézomètres) et de données plus complètes sur la géométrie de l'aquifère dans la moitié sud du terrain, particulièrement sur la trace du sillon d'Illens le long duquel a lieu l'écoulement préférentiel des eaux provenant du lac. 4.5.2 Alimentation par les précipitations efficaces a) Types d'alimentation On distingue deux types d'alimentation par les pluies efficaces, l'alimentation "rapide" et l'alimentation "retardée". L'alimentation "rapide" consiste en la part d'eau d'infiltration rapidement acquise à la nappe. Elle a essentiellement lieu aux endroits où se trouvent, en sub- surface du bassin versant, des graviers qui assurent un bon transfert de l'eau vers l'aquifère de la Tuffière. La surface de ces terrains a été délimitée sur la base des données géologiques et géophysiques. Elle correspond à 4.11 km^. A ces endroits très perméables, on estime que la totalité des pluies efficaces s'infiltrent, soit une valeur de l'ordre de 540 mm/an (cf. § 4.8). Contribution à l'étude des eaux souterraines de la région de Fribourg Deuxième partie: Hydrogéologie de la région de la Tuffière 101 C'est cette part d'alimentation rapide qui induit les fluctuations piézométriques et de débits (cf. § 4.4.3). Sur la frange ouest du chenal Crausa, ce type d'alimentation provoque des remontées piézométriques plus importantes lors des périodes de réalimentation (piézomètres FC, PF3, Sl, source G5: cf. fig. 2.23 et 2.24) à cause de la concentration des apports latéraux. L'eau de ce type d'alimentation ne se différencie pas de celle de la moraine principale et des graviers supérieurs. Par contre, elle se différencie chimiquement de l'eau d'alimentation "retardée" par les formations peu perméables qui se trouvent en dessous des graviers de la Tuffière. La quantification des proportions de chaque composantes reste difficile et approximative (cf. § 5.5.3). L'eau d'alimentation "retardée" transite par les formations peu perméables de la molasse, du complexe rissien et de I'interglaciaire et percole dans les graviers de la Tuffière (cf. fig. 2.28). C'est grâce au traçage chimique naturel qu'il est possible de préciser ce fait (cf. § 5.3) Dans les graviers de la Tuffière et dans les milieux peu perméables, on observe de faibles variations de potentiels (variations annuelles de l'ordre du mètre, respectivement inférieures à 20 cm). De ce fait, on peut admettre que les écoulement dans les formations peu perméables sont permanents et les débits d'alimentation provenant de celles-ci aussi. b) Surface du bassin versant Nous avons déterminé la surface du bassin versant hydrogéologique de l'aquifère sur la base des données géologiques et morphologiques. Une partie du bassin de la Longive est inclue dans le bassin hydrogéologique de l'aquifère de la Tuffière car cette rivière, entre Rossens et Farvagny, coule dans un milieu peu perméable plaqué sur les graviers aquifères. De même, dans la région de Champ-du-Poirier à Magnedens, un embranchement de graviers semble prolonger vers l'ouest la zone d'alimentation de l'aquifère. La surface totale du bassin versant hydrogéologique ainsi définie atteint 13.5 km2 (fig. 2.3). Sur la plus grande partie de ce bassin versant, la totalité des pluies efficaces contribue à l'alimentation de l'aquifère. En effet, au nord de la Longive, aucun cours d'eau n'assure le drainage de surface. Ainsi, sur la base de la nature des terrains de sub-surface, nous avons subdivisé le bassin versant en 3 zones d'alimentation: - Zone 1 à alimentation très faible ou nulle (2.96 km2) formée par les régions drainées artificiellement, une partie des zones construites (routes et villages), une partie du bassin de la Longive entre Rossens et Farvagny-Ie-Grand, bassins versants de sources superficielles, etc.. Pour les calculs de bilan, nous estimons l'apport à la nappe, provenant de cette zone égal à 20 % des pluies efficaces. - Zone 2 à alimentation lente (6.44 km2), terrains dont la perméabilité à l'infiltration est moyenne à faible (moraine, sables, limons, molasse...) - Zone 3 à alimentation optimale (4.14 km2), régions graveleuses sur lesquelles l'infiltration est rapide. La grandeur relative du bassin d'alimentation est la somme des contribution de chaque zone entachée d'une erreur estimée à ±10%: Zone 1: 0.2 • 2.96 km2 Zone 2: 6.44 km2 Zone 3: 4.14 km2 Total: U.17±l.l km2 Contribution à l'étude des eaux souterraines de la région de Fribourg 102 Deuxième partie: Hydrogeologie de la région de la Tuffière c) Pluies efficaces Pour le calcul des pluies efficaces qui ont eu lieu au cours de la période d'observation, nous nous sommes basés sur les données de la station fédérale de Grangeneuve, représentative du terrain étudié (cf. §1.1.3): Période d'observation: octobre 1984 - septembre 1987 Pluie moyenne: 1210 mm Température moyenne: 8.180C Le calcul de l'évapotranspiration fournit les valeurs suivantes: - ETP par la méthode de Thornthwaite: 587 mm/an - ETR par la méthode de Turc: 489 mm/an Pour comparaison, PARRIAUX (1981) obtient une valeur d'évapotranspiration réelle de l'ordre de 480 mm/an dans le bassin versant de la Broyé. Pour le calcul du bilan (cf. § 4.8), nous avons retenu une valeur moyenne de 540 mm/an avec une erreur de ± 50 mm/an, ce qui implique une pluie efficace de 670 ± 50 mm/an. 4.5.3 Rôle de l'encaissant des graviers dans leur alimentation L'encaissant peu perméable de l'aquifère de la Tuffière assure une alimentation lente et constante de celui-ci. En région d'exutoire et sur la frange est de l'aquifère (le long du canyon de la Sarine), par contre, il fait office de drain. Nous ne possédons pas assez de données concernant la structure du milieu, les perméabilités des formations et les potentiels en fonction de la profondeur pour quantifier ces phénomènes de manière globale. Cependant, sur la coupe du Graboz, transversale à l'aquifère, (fig. 2.7), nous tentons de représenter schématiquement ces relations hydrauliques, au moyen d'un modèle mathématique conceptuel. a) Choix de ta coupe Nous avons choisi cette coupe, tout au nord de l'aquifère, pour les raisons suivantes: - C'est la seule coupe pour laquelle nous possédons des données de potentiels dans la zone d'alimentation (piézomètre PF5 et région de l'aérodrome d'Ecuvillens), dans l'aquifère des graviers de la Tuffière (piézom. Sl, FC, FD, FB, source Gl) et dans la zone d'exutoire de l'encaissant peu perméable (forage BR4" [niveau de la nappe = 591 m] et divers petits sondages improvisés). A part la valeur approximative du potentiel au forage BR4", nous ne connaissons en aucun point, la distribution des potentiels au sein du substratum des graviers. - La structure des terrains est relativement bien connue. Cette coupe est représentative de la zone sourcière du Grabe. Le long d'une grande partie de cette coupe (tronçon 4 et 5), l'encaissant peu perméable draine une part non négligeable de l'eau contenue dans les graviers de la Tuffière. Plus en amont, au sud de la zone sourcière des SIFR, le rôle principal de l'encaissant peu perméable des graviers est, par contre, d'alimenter les graviers de la Tuffière. Cependant, sur la frange est de l'aquifère, les écoulements souterrains à l'intérieur du substratum peu perméable (molasse) s'orientent en direction de la Sarine, point bas du système, de la même manière sur le modèle en coupe décrit ci-dessous. Contribution à l'étude des eaux souterraines de la région de Fribourg Deuxième partie: Hydrogéologie de la région de la Tuffière 103 b) Buts du modèle Par ce modèle, nous proposons une réflexion sur les questions suivantes: - De quelle manière l'encaissant peu perméable alimente-t-il les graviers de la Tuffière? - Quel rôle jouent les graviers interglaciaires dans la distribution des potentiels en zone d'exutoire? Ont-ils un impact quantitatif sur les débits aux sources? Constituent-ils une décharge importante du système hydrogéologique dans le lit de la Sarine? c) Réseau et conditions aux limites Le réseau à éléments finis1 (fig. 2.27 a) schématise en coupe les différentes couches géologiques décrites en fig. 2.7. La densité des éléments est choisie en fonction du nombre d'informations à disposition. Le modèle ne permet de simuler que la zone noyée de l'aquifère, si bien que les graviers de la Tuffière ne représentent qu'une faible part des terrains pris en compte. La limite inférieure du modèle à flux nul a été arrêtée à 450 m d'altitude au sein de la molasse marine supérieure (Burdigalien). La limite ouest du modèle est la limite du bassin versant (cf fig. 2.3), imposée comme limite à flux nul. La limite est du modèle se situe à la hauteur de la Sarine. Point bas du système, elle est définie comme limite à flux nul. Sur la limite supérieure du modèle nous avons imposé en chaque noeud la valeur des niveaux piézométriques observés ou extrapolés. On n'a imposé aucune alimentation distribuée. Il n'est pas possible de caler ce modèle car deux paramètres restent inconnus, les perméabilités et les débits. Il faut retrouver par calcul non seulement les potentiels mais aussi les débits observés. Or, nous ne possédons aucune mesure de débit relative aux sorties diffuses le long de la Sarine. D'autre part, les débits observés à la zone sourcière du Grabe (exutoire des graviers de la Tuffière) dépendent d'écoulements dont le sens est perpendiculaire à la coupe du modèle (fig. 2.18). Le modèle conceptuel permet cependant de reconstituer l'allure de l'organisation des écoulements au sein de la coupe choisie, entre les graviers et leur encaissant peu perméable. Il permet aussi de donner une évaluation qualitative des flux en fonction des champs de perméabilité choisis. d) Scénarios de calcul Nous avons choisi les trois scénarios de calculs suivants: 1,- Encaissant des graviers homogène avec une perméabilité uniforme de 1«10~6 m/s, graviers de Ia Tuffière différenciés avec une perméabilité de 1.5*10" ¦* m/s (fig. 2.28 a) 2.- Encaissant différencié des graviers de la Tuffière avec les perméabilités énumérées ci-dessous, sans graviers interglaciaires, assimilés aux limons et argiles interglaciaires (fig. 2.28 b): 1 Le programme FENl, développé par KIRALY au Centre d'Hydrogéologie de l'Université de Neuchâtel a servi aux calculs de modélisation. Contribution à l'étude des eaux souterraines de la région de Fribourg 104 Deuxième partie: Hydrogéologie de la région de la Tuffière Ouest RESEAU DU UQOELE COFt CWfìOZ Est f—F—ì 7-----------7-------------_ /2 ,1 fL 6. S T j& -4- Tr^4 3 -5 -6 6 - \ N \/ / / 250 m Fig. 2.27: Modèle en coupe W-E, à la hauteur des sources du Graboz, entre les points de coordonnées 572.265/177.980 à l'ouest et 573.800/178.070 à l'est, sur le même tracé que Ia fig. 2.7, à l'ouest de la Sarine. a): Réseau complet d'éléments finis avec indication des classes de perméabilité correspondant aux terrains suivants: 1: Graviers de la Tuffière. 2: Sables et limons finissant l'interglaciaire et sol morainique. 3: Graviers interglaciaires présumés. 4: Limons et argiles interglaciaires. 5: Complexe rissien. 6: Molasse burdigalienne. b): Potentiels calculés pour les données du scénario 2, § 4.5.3. graviers de la Tuffière (valeur observée) sables et limons finissant l'interglaciaire (estimée) limons et argiles interglaciaires (déduite d'essais) complexe rissien (estimée) molasse burdigalienne (déduite d'essais, cf. Partiel) 1.5-10'3 m/s 1-10"5 m/s Î-IO"6 m/s 8-10"8 m/s 3-10'7 m/s 3.- Idem 2, mais avec les graviers interglaciaires de perméabilité estimée à 5-IO'5 m/s (cf. fig. 2.28 c). Les divers scénarios de calcul montrent l'organisation des potentiels et des directions d'écoulement calculées. On observe que les points bas, Ie sillon de Crausa et la vallée de la Sarine drainent les écoulements qui ont lieu dans les formations peu perméables. Contribution à l'étude des eaux souterraines de la région de Fribourg Deuxième partie: Hydrogéologie de la région de la Tuffière 105 Fig. 2.28: Modèle en coupe E-W, à la hauteur des sources du Graboz, détail de la zone d'exutoire: Potentiels et directions d'écoulement calculées. Situaiion en fig. 2.27. a): scénario 1. b): scénario 2. c): scénario 3. Contribution à l'étude des eaux souterraines de la région de Fribourg 106 Deuxième partie: Hydrogéologie de ta région de la Tuffière e) Résultats En résumé, le modèle a permis de tirer les conclusions suivantes: - Dans la région d'exutoire, au niveau de Ia zone sourcière du Grabe, la nappe des graviers de la Tuffière est probablement une nappe partiellement perchée car, pour les trois scénarios» on constate une forte drainance vers le bas (tronçon 4). Les graviers de Ia Tuffière alimentent leur encaissant peu perméable - Pour les scénarios 1 et 2 (absence de graviers interglaciaires), le débit sor- tant des formations peu perméables à la hauteur de la Sarine (tronçon 7) se monte à 0.97, respectivement 0.48 1/min par mètre. La zone sourcière du Grabe ayant 700 m de long, le débit total des exutoires diffus à Ia hauteur de la Sarine atteindrait 680, respectivement 330 1/min, ce qui représente 38, respectivement 19 % du débit moyen observé à l'exutoire des graviers de la Tuffière, le long de cette zone. - Pour le scénario 3 (présence de graviers interglaciaires drainant l'encais- sant peu perméable des graviers de Ia Tuffière, le débit sortant des formations peu perméables à la hauteur de la Sarine (tronçon 7) se monte à une valeur de 4.3 à 5 ï/min par mètre, suivant que ces graviers sont en charge comme le décrit SIEBER (1974) ou non. Si on suppose que ces graviers sont en contact avec le lit de la Sarine sur une distance de 150 m, leur débit à l'intérieur du Ht de Ia Sarine serait de 645 à 750 1/min, ce qui représenterait déjà 36 à 42 % du débit moyen observé à l'exutoire des graviers de Ia Tuffière, le long de toute Ia zone du Grabe. Etant donné que Ie modèle n'est pas calé, il faut admettre que les quantités calculées ne sont qu'un ordre de grandeur des flux qui transitent au travers de l'encaissant peu perméable. 4.6 Stockage et réserves Lc stock d'eau souterraine qui alimente les exutoires naturels de l'aquifère de la Tuffière doit être considérable car Ia réaction dynamique du système hydrogéo- logique est très amortie par rapport aux impulsions d'entrée (des pluies) et les débits sont relativement importants (15.3 m^/min en moyenne). On distingue les types de réserve suivants: - Volumes d'eau contenus dans les diverses formations, - Réserves ccoulablcs déduites de l'étude du tarissement, - Réserves totales estimées à partir du temps de séjour souterrain. 4.6.1 Les réserves d'eau contenues dans les diverses formations A partir de l'étude structurale de l'aquifère et des terrains encaissants, on peut calculer approximativement le volume des terrains perméables et peu perméables saturés ou non. En estimant une porosité totale et une porosité efficace moyennes, on calcule les volumes globaux et écoulables d'eau qu'elles contiennent. Les résultats de ce calcul sont compilés au tableau 5. Les chiffres obtenus donnent un ordre de grandeur indicatif puisque nous ne maî- trisons pas exactement ni la structure des terrains, ni leurs propriétés aquifères. Les réserves en eau contenues dans les graviers ne constituent, cependant, qu'une faible part (20 - 25%) des réserves totales que recèlent les terrains saturés, liés à l'aquifère. Par comparaison, il. ressort de ce calcul que les sables et limons terminant l'interglaciaire et directement sous-jacents aux graviers contiennent plus d'eau mobilisable que ceux-ci. En l'état actuel de nos connaissances, il nous est impossible de quantifier les réserves contenues dans les terrains non saturés. Ces stocks s'écoulent en grande partie vers les graviers de Ia Tuffière, mais aussi en partie vers des sources locales ou des cours d'eau. Contribution à l'étude des eaux souterraines de la région de Fribourg Deuxième partie: Hydrogeologie de ta région de la Tuffière 107 4.6.2 Les réserves écoulables déduites de l'étude du tarissement a) Réserves écoulables provenant des infiltrations efficaces Aux sources du Gl à G5 seulement, nous possédons des chroniques suffisamment précises pour cette étude. De l'étiage d'automne 1985 (du 20.10.85 au 10.1.86) nous déduisons Ie coefficient a = 0.0016. Sur la base de cette valeur, les réserves écoulables moyennes (Rmoy) relatives à ces sources se calculent de la manière suivante (cf. Annexe C): Qmoy = 1209.6 m3/j a = 0.0016 Rmoy Graboz = O0016= 756*000 m* et les réserves écoulables moyennes relatives à l'ensemble de la zone sourcière du Grabe: Qmoy = 2550 m3/j a = 0.0016 Rmoy Grabe =^¾= 1*593*700 m3 Afin d'obtenir un ordre de grandeur des réserves écoulables de l'ensemble de Ï'aquifère, nous avons extrapolé cette valeur du coefficient a à tout ï'aquifère, calculant un volume moyen total suivant: Qmoy = 12*197 m3/j a = 0.0016 Rmoy total = ^^¾= 7'623'0OO m3 Ce volume de réserve écoulable correspond approximativement au stock total contenu dans les graviers de la Tuffière et les sables et limons terminant l'interglaciaire (tabi. 5). La valeur calculée est probablement une quantité minimale car les sillons d'Illens et de Montoliet d'où provient l'eau des sources SIFR se situe en position morphologique basse par rapport à celui de Crausa, dans lequel se concentrent les eaux qui sourdent aux sources du Graboz (cf. fig. 2.8). De ce fait, le coefficient a qui caractérise la vidange de Ï'aquifère en période non influencée par le lac de la Gruyère, aux sources SIFR devrait être plus petit que 0.0016. b) Les réserves provenant du lac de la Gruyère La méthode de MAILLET permet de calculer le volume moyen d'eau provenant du lac de la Gruyère, à l'intérieur du sillon d'Illens, en utilisant les coefficients de décrue a' des eaux du lac. Pour déterminer ceux-ci, il faut préalablement soustraire le débit de base à la chronique des débits totaux. On constate que les coefficients de décrue calculés évoluent en fonction de l'état hydraulique du système (décrue après une longue période d'alimentation ou décrue subite après une forte remontée des eaux du lac...). Pour deux épisodes de décrues, survenus au cours de la période d'observation, les coefficients a' suivants ont été calculés: Période a' 1.1.85 - 25.2.85 0.0130 15.9.85 - 20.2.86 0.0095 Utilisant un coefficient a' = 0.01, nous déduisons un volume moyen des réserves provenant du lac, à l'intérieur de Ï'aquifère de Ia manière suivante: Qmoy = 7120 m3/j a = 0.01 Rmoy lac = ¾^= 712"0OO m3 Contribution à l'étude des eaux souterraines de la région de Fribourg 108 Deuxième partie: Hydrogéologie de la région de la Tuffière 4.6.3 Les réserves totales estimées à partir du temps de séjour souterrain Pour les eaux d'infiltration locale "directe", le temps de séjour moyen déterminé à l'aide du Tritium est voisin de 6.5 ans (valeur relative à la source G3) et pour les eaux d'infiltration locale "retardée", il est de l'ordre de 15 ans (§ 5.2.4). Compte tenu des proportions de chaque composante d'eau dans l'aquifère, ce temps de séjour moyen souterrain peut être estimé à 10 ans. En multipliant ce temps par le débit moyen du système (8440 1/min, tributaires uniquement des pluies efficaces), on obtient un volume d'eau (44.4 ± 6.7 mio m3) dont la signification reste relative et indicative, tout comme le temps de séjour moyen calculé. Néanmoins, toute relative que soit cette valeur, on constate qu'elle se situe entre le volume total d'eau que renferme le système (63 mio m^) et le volume d'eau gravitaire d'eau contenu dans les formations saturées (16 mio m^). Cette observation semble démontrer qu'il y a échange entre l'eau de rétention et l'eau gravitaire dans le milieu aquifère. De ce fait, la multiplication du temps de séjour moyen (Tritium) par le débit global du système (tributaires uniquement des pluies efficaces) donne un volume qui n'a aucun sens en ce qui concerne la gestion quantitative des eaux souterraines. II donne plutôt une indication sur Ie volume total d'eau (gravitaire et de rétention) que contient Ie système, sur le rôle de filtre naturel que joue celui-ci et les modalités de renouvellement des réserves. 4.7 Bilan L'établissement d'un bilan hydrologique se fait dans le but de tester si il y a concordance entre les entrées calculées et les sorties observées. a) Données de base: Concernant la surface du bassin versant et les pluies efficaces, nous référons le lecteur au paragraphe 4.5.2. b) Les débits A la zone sourcière du Grabe, le débit total moyen des sources se compose de la manière suivante: Sources du Graboz (G2-G5) Sources SGT (Gl + Tl et T2) Sources non captées Total: «40 1/min 480 1/min 450 I/min 1770 1/min Les débits moyens tributaires des pluies efficaces aux zones sourcières des SIFR et de Ia Baume sont calculés à partir des débits totaux auxquels on retranche la proportion d'eau provenant du lac de la Gruyère. Zone sourcière % eau du lac Q moy. total Ti/mini Q infiltr. efficaces Ti/mini SIFR 46% 10750 5800 Baume 68% 2'710 870 Grabe 0% 1*770 T770 Total 44.5% 15'230 8'440 Ce débit total de 8'440 1/min équivaut à 4.436 »106 m3/an Contribution à l'étude des eaux souterraines de la région de Fribourg Deuxième partie: Hydrogeologie de la région de la Tuffière 109 c) Calcul du bilan Pluie efficace annuelle: 540 ±50 mm Surface totale 11.17 ±1.1 km2 Volume d'alimentation annuelle 6.03 ±1.2 »10^ m^ Volume annuel des sorties: 4.44 »10^ m^ Différence 1.59 ±1.2 -106 m^ Cette différence équivaut à 3'000 ± 2'280 1/min! à) Commentaires Le calcul du bilan hydrologique de l'aquifère de la Tuffière reste difficile car, si l'on peut quantifier les paramètres pluies efficaces, surface d'alimentation et débits aux exutoires, les incertitudes restent grandes. La différence calculée de 3'000 1/min entre les entrées et les sorties est un ordre de grandeur réaliste de ce qui s'écoule de manière diffuse dans Ie Ut de la Sarine. Sur la distance séparant le barrage de Rossens et l'extrémité nord de la zone sourcière du Grabe, cette valeur correspond à 0.7 1/min et par mètre, valeur très proche de ce que l'on calcule sur le modèle en coupe (0.5 - 1 litre/min. par mètre, cf. §4.5.3). 4.8 Conclusion Le système hydrogéologique de la Tuffière est complexe. L'alimentation naturelle se répartit entre l'infiltration des précipitations efficaces et les apports provenant du lac de la Gruyère. L'aquifère (graviers de la Tuffière) sert principalement de lieu de transfert et secondairement de lieu de stockage de l'eau souterraine. Ces graviers ne contiennent qu'environ la moitié des réserves écoulables et le quart des réserves totales calculées. La partie méridionale de cet aquifère reste presque méconnue. C'est probablement là que le stockage d'eau au sein des graviers de la Tuffière et des sédiments sous- jacents est le plus important (cf. § 6). Contribution à l'étude des eaux souterraines de la région de Fribourg HO Deuxième partie; Hydrogeologie de la région de la Tuffière K20 Ca++ Cl" NO3- Na+ SO4" SÌO2 Li+ Mg++ Sr++ Ba++ F" pH K+ * nS/cm mg/1 mg/1 mg/1 mg/1 mg/I mg/1 H-g/1 mg/1 ng/1 ug/1 ug/1 mg/1 B 650 120 35 40 12 35 13 100 25 700 160 105 8.0 6.0 A 550 100 25 30 9 25 11 75 20 550 120 85 7.75 3.0 . 450 80 15 20 6 15 9 50 15 400 80 65 7.50 1.5 0 350 60 5 10 3 7 25 10 250 40 45 7.25 0.5 Fig. 2.29: Répartition géographique des valeurs relatives à 14 paramètres physico-chimiques mesurés dans les eaux de Taquifère de la Tuffière (localisation des points en fig. 2.4 et 2.18). Contribution à l'étude des eaux souterraines de la région de Fribourg Deuxième partie: Hydrogéologie de la région de la Tuffière 111 5 Etude physico-chimique et isotopique des eaux L'étude physico-chimique et isotopique des eaux de la Tuffière a porté sur les paramètres suivants: Conductibilité électrique (K20), Température - Dureté totale (Dto), Dureté carbonatée (TAC) de laquelle on déduit HCO3" - pH, Li+, Na+, K+, Mg++, Ca++, Sr++, Ba++, F-, Cl\ NO3", SO4" - SÌO2, O2 (diss.). - Isotopes: Oxygène-18 O18O) et Tritium (3H) Cette étude fournit de nombreux renseignements concernant le fonctionnement du système hydrogéologique (renouvellement des réserves, vitesses d'écoulement, origine de l'eau, ...). D'autre part, elle permet de déduire des informations généralisables relatives à l'origine et à la signification des traceurs naturels mesurés. 5.1 Types d'eau et mélanges La fig. 2.29 montre la répartition géographique des concentrations relatives à 14 paramètres physico-chimiques mesurés dans l'eau des sources, de l'aquifère et du lac de la Gruyère, On remarque que, pour la plupart des paramètres, les différences d'un point à l'autre de l'aquifère sont significatives. Elles font apparaître les trois zones hydrogéochimiques suivantes: a) Zone 1 correspondant à toute la zone sourcière du Grabe (minéralisation totale et teneurs en Ca++, Cl" et NO3" relativement élevées, faibles valeurs de Li+, Mg++, F* et SO4--). b) Zone 2 correspondant aux sources 21 à 25 du drain ouest des sources SIFR et aux forages S4 et S5 (minéralisation moyenne, fortes teneurs relatives en Li+, Mg++ , Sr++, Ba++ ctF). c) Zone 3 correspondant au drain est des sources SIFR et aux sources de la Baume (faible valeurs de minéralisation totale, Na+, Mg++, Ca++, Cl", NO3", SÌO2. fortes teneurs relatives en SO4"). A chacune de ces zones hydrogéochimiques, apparaît, de manière privilégiée, une des trois composantes d'eau suivantes, à savoir respectivement: a) l'eau d'infiltration locale "directe" b) l'eau d'infiltration "retardée" c) l'eau du lac de la Gruyère En analyse factorielle (fig. 2.30, basée sur les données du tableau 6), les pôles relatifs de ces trois composantes s'individualisent bien. Les diverses sources des SIFR et de la Baume possèdent des caractéristiques propres et évoluent de manière ordonnées entre les pôles de ces trois composantes. Les facteurs principaux provoquant cette évolution sont l'apport chimique différencié des eaux de l'infiltration locale et la dilution de celles-ci par les eaux provenant du lac. La matrice des coefficients de corrélation (tabi. 7) met en évidence les couples de paramètres bien corrélé grâce à ces phénomènes de dilution et de mélange. Il s'agit des groupes de paramètres suivants: - K20 - Tac - Dto - Ca++ - Na+ - NO3- - Cl" (traceurs de l'infiltration "directe") - Mg++ - Li+ - SÌO2 - Sr++ - (Ba++ - F") (traceurs de l'infiltration "retardée") Contribution à l'étude des eaux souterraines de la région de Fribourg 112 Deuxième partie: Hydrogéologie de la région de la Tuffière u 3 CI ¦M U Facteur 1 Fig. 2.30: Analyse factorielle en composantes principales des eaux liées à l'aquifère de la Tuffière, basée sur les valeurs moyennes des paramètres. Les eaux des sources SIFR évoluent entre les pôles "lac de la Gruyère", "infiltration directe" et "molasse burdigalienne" ou "infiltration retardée". 5.2 L'eau d'infiltration locale "directe" Cette composante d'eau est qualifié de "directe" pour les raisons suivantes: - Sa composition s'associe à celle des sources locales de la moraine principale et des graviers supérieurs. Elle est typique des eaux du Quaternaire de la région (cf. Partie 3, § 2). - Elle circule au sein de systèmes d'écoulement qui, dans leur grande partie, ne traversent pas de milieu réducteur à faible perméabilité où ont probablement lieu les échanges ionique libérant des cations marqueurs tels que Li+, Mg++, Sr4+ et Ba++ (cf. § 5.3). 5.2.1 Caractéristiques principales Ce type d'eau présente les principales caractéristiques suivantes: - Minéralisation totale relativement élevée: = Conductibilité électrique entre 550 et 700 \iS 330 et 390 mg/1 CaCO3 = Dureté totale entre = Dureté carbonatée entre = Ca++ entre 300 et 335 mg/1 CaCO3 120 et 135 mg/1 Contribution à l'étude des eaux souterraines de la région de Fribourg Deuxième partie: Hydrogéologie de la région de la Tuffière 113 - Faible rapport Ca++/Mg++: entre 5 et 9 - Teneurs en NO3" variables et souvent élevées (15 - 40 mg/1) - Teneurs variables en Cl" et Na+ (5 - 50, resp. 4-20 mg/1) - Faibles teneurs en Li+ (< 40 M-g/1) et F- (< 65 u.g/1) -O18O local (-10.0 à -10.6) - Temps de séjour souterrain moyen (^H) de l'ordre de 5 - 10 ans Cette eau de type Ca-HCCH provient de l'infiltration des précipitations sur le bassin versant hydrogéologique constitué en grande partie de terres agricoles. Elle se retrouve aux sources de la zone du Grabe, aux sources de la moraine principale et à celles des graviers supérieurs. D'une source à l'autre, la composition de cette eau montre une certaine hétérogénéité due principalement aux différences relatives à l'utilisation du sol dans les bassins versants respectifs, influençant les principaux ions tributaires des activités humaines (Na+, K+, Ca++, Cl", NO3-, HCO3*). En effet, l'eau prélevée dans les premiers mètres de sol possède déjà, pour ces ions, des teneurs égales ou supérieures à celles des sources. Le temps de séjour souterrain moyen de cette eau (cf. § 5.2.4), est suffisamment long pour amortir presque totalement les variations physico-chimiques saisonnières. Les caractéristiques principales de cette eau ne présentent pas de particularité qui permettent de déduire des informations plus précises sur son origine et son trajet souterrain. 5.2.2 Evolution temporelle de la minéralisation Pour l'étude de l'évolution temporelle de la minéralisation de l'eau souterraine tributaire des infiltrations locales, nous avons choisi la source G3 (zone d'exutoire du Grabe). L'évolution temporelle de ses caractéristiques fait l'objet d'une description en Partie 3, § 5.4. 5.2.3 Particularités aux sources de la zone du Grabe Deux particularités intéressantes s'observent à certaines sources de la zone du Grabe. Il s'agit de l'effet de l'exploitation des graviers (graviere Crausa) sur la qualité des eaux souterraines, d'une part, et, d'autre part, l'effet à moyen terme des essais de colorations au NaCl. La graviere Crausa constitue un impluvium nu de l'ordre de 80'0OO m^ où les infiltrations efficaces ont lieu sans transiter par un sol, ce qui implique un faible acquis en minéralisation. Les sources Tl et T2 dont le bassin versant aval se situe dans la région de la graviere voient, par conséquent, leur minéralisation diminuer (30 u.S/cm) par rapport aux autres sources (Gl à G5). D'autre part, l'eau des sources Tl, T2 et Gl a servi, durant la période d'observation, au lavage des graviers . Les boues résultant du lavage sont acheminées dans plusieurs bassins de décantation situés à l'est de la graviere (coord:574.000/176.700), à partir desquels l'eau de lavage percole dans les graviers sous-jacents et alimente plusieurs petites sources à l'extrémité SE de la zone sourcière du Grabe. La source 11 est presque totalement tributaire de ce mécanisme d'alimentation. Elle montre les particularités suivantes: - Température moyenne de 8.5 0C, voisine de la température moyenne de l'air (8.13°C). - Dureté totale de 280 mg/1 de CaCÛ3, de l'ordre de 40 mg/1 de CaC03 inférieure aux eaux originales (sources Tl, T2 et Gl), mais par contre, teneurs en Na+, Mg++, NO3-, Cl- et SO4" inchangées (cf. fig. 2.31). Contribution à l'étude des eaux souterraines de la région de Fribourg 114 Deuxième partie: Hydrogeologie de la région de la Tuffière Temp 10.0 ra Ii 8.5 [mg/i] 100 90 8 Na+ 7 [mg/IJ 6 5 30 NO3- 25 [mg/1] 20 15 20 60 Tritium 50 TUT] 40 30 G5 G4 G3 G2 Gl Tl 11 26 I I I I I I I I 07 09 Pl Vl 4tf-47 I I I I I ~7* z: Ii^ L^, ^S In x; zf valeur* de _ 1986 _ 650 600 550 K20 500 (M S/cm] 450 20 18 16 Mg++ 14 (mg/J] 12 30 25 Cl- 20 [mg/I] 15 10 16 14 12 SO4" 10 fm«/U -io.o 3I8° -10.5 t°/oo] -11.0 -11.5 Fig. 2.31: Valeurs moyennes relatives à 9 paramètres physico- chimiques et données isotopiques 1^O et 3H aux sources de la zone du Grabe (Gl - G5, Tl, 11 et, à titre comparatif la source 26 SIFR) et à d'autre sources locales (07, 09, Pl de Posât, Vl et 46-47). Localisation en fig. 2.3 et 2.18. Contribution à l'étude des eaux souterraines de ta région de Fribourg Deuxième partie: Hydrogéologie de la région de la Tuffière 115 Dans la région des exutoires, les essais de traçage au NaCl provoquent quelques perturbations dans le fait que l'ion Na+ subit une rétention dans le terrain et ne se libère que lentement. Il se peut qu'il soit entraîné vers le bas, dans les formations peu perméables et ressorte lentement au niveau de la Sarine. La mesure "Iglac" du tableau 6 semble mettre ce fait en évidence. Elle provient d'un prélèvement dans un sondage de fortune à la tarière dans les limons et argiles interglaciaires, près de la source Gl au point de coordonnées 573.775/178.050. L'eau que l'on y a trouvé contient 17 mg/1 de Na+, c'est à dire 3 à 4 fois plus que dans les eaux des sources voisines. Ce Na+, pourrait provenir d'anciens essais de traçage au NaCl effectués entre 1970 et 1974 dans la région de la graviere Crausa. Il se peut aussi qu'il s'agisse d'un enrichissement naturel en Na+ au sein des formations limono-argileuses de l'interglaciaire. Cette eau contient d'ailleurs des teneurs importantes en Mg++ (31.8 mg/1). 5.2.4 Caractéristiques isotopiques de l'infiltration locale"directe" a) Le Tritium: Les temps de séjour moyen optimaux, calculés au moyen du modèle exponentiel, sur la base des mesures de Tritium aux sources du Graboz (Gl, G3 et G5) sont en moyenne de 6.5 ans1. Les eaux d'infiltration locale "directe" de la zone sourcière du Grabe ne contiennent pas de composante dépourvue de Tritium car leurs teneurs sont encore largement supérieures à celles des pluies et ne montrent pas de fluctuation importante liée au débit (fig. 4.42). Au § 4.6.3, ce temps de séjour souterrain est comparé aux volumes des réserves de l'aquifère. b) L'Oxygène-18 Les sources de l'aquifère de la Tuffière, tributaires de l'infiltration locale constituent un bon point d'ancrage pour l'étude de la dépendance de 1'18O dans les eaux, en fonction de l'altitude. A ce sujet, bien que la plupart des sources de la zone du Grabe, celles des graviers supérieurs et celles de la moraine principale, au nord de la Longive, aient leur bassin versant situé à environ 710 m d'altitude, on remarque quelques petites différences, parfois non négligeables entre les valeurs moyenne du 318O à ces points d'eau: Source 318O moyen G3 -10.49 Grabe autres -10.42 S3 (forage) -10.48 26 -10.39 07 (moraine principale.) -10.21 Une étude des causes affectant les résultats d'180 est présentée en Partie 3, § 4. Au paragraphe 5.2.2, on discute l'évolution du 318O dans la source G3, prise comme référence des sources du Grabe. 1 Cet ordre de grandeur du temps de séjour souterrain se retrouve dans beaucoup d'aquifère du Quaternaire du Plateau fribourgeois (cf. chap. 4, § *). Contribution à l'étude des eaux souterraines de la région de Fribourg 116 Deuxième partie: Hydrogeologie de la région de la Tuffière 5.3 L'eau d'infiltration locale "retardée" Nous qualifions ce type d'eau d'infiltration locale "retardée" car il provient du drainage des formations peu perméables de l'interglaciaire, du "complexe rissien" et de la molasse burdigalienne. On retrouve ce type d'eau en diverses proportions de mélange avec les autres types d'eau aux sources SIFR 21 à 25 et dans les forages S4 et S5 principalement. Ce type d'eau est dérivé du type infiltration locale "directe" par transformation. de son chimismo, principalement par échange ionique et dissolution lente à l'intérieur des formations peu perméables. Dans la région de la Tuffière, aucun point d'eau ne fournit ce type d'eau uniquement. Un seul petit sondage a la tarière dans les limons interglaciaires a permis de le retrouver sans qu'il y ait mélange important avec un autre type (cf. analyse "Iglac", tabi. 6). En deux autres endroits, en dehors de Ia région de la Tuffière, on a retrouvé une eau dont les caractéristiques se rapprochent de l'eau en question (analyses P.M. et TTl, tabi. 6). A chacun de ces endroits, l'eau provient de milieux réducteurs à faible perméabilité. Il s'agit des endroits suivants: - molasse burdigalienne à Matran (P.M.), - graviers à la base d'une épaisse moraine de fond à Matran (TTl). L'étude de ce type d'eau doit permettre de mieux connaître son origine et de quantifier son importance dans l'alimentation ddiffuse de l'aquifère de la Tuffière. En effet, cette eau trace l'encaissant peu perméable des graviers, qui, d'une part a un volume important (cf. fig. 2.7 à 2.11) et, d'autre part, pourrait faire l'objet, en certains endroits, au sud de l'aquifère d'exploitation par puits de captage. 5.3.1 Caractéristiques principales Cette eau est de type Ca-Mg-HCO^. Sa composition chimique moyenne a été reconstituée par approximation sur la base des analyses des sources 21 à 25 et des eaux "Iglac", P.M. et TTl (cf. tab. 6). Elle se rapproche beaucoup de la composition des eaux de la molasse burdigalienne (cf. Partie 1, § 2.1.1). Elle devrait posséder les caractéristiques suivantes: - Conductibilité électrique entre 540 et 600 nS/cm - Dureté totale entre 280 et 320 mg/1 CaC03 - Concentration en Ca++ entre 70 et 90 mg/1 - Concentrations en Mg++ entre 30 et 35 mg/1 - Ca++/Mg++ [meq/1] entre 1.2 et 1.8 - Hautes teneurs relatives en cations bivalents en Li+ et en F- - Faibles teneurs relatives en NO^" (réduction) et Cl- Comme dans le cas de l'eau magnésienne de la molasse burdigalienne, on interprète l'augmentation en Mg++, Sr+"*" et Ba++ par échange cationique au dépend de Ca+ + , sur le milieu solide (probablement sur les smectites), (cf. Partie 1, § 2.2). Le Li+ et Ie F" devraient provenir des minéraux argileux. 5.3.2 Ions traceurs de ces terrains Mg+ + , Sr++ , Ba++ , Li+ et F", en particulier marquent l'eau de l'encaissant peu perméable. L'intérêt de l'étude de leur comportement dans le système de la Tuffière Contribution à l'étude des eaux souterraines de la région de Fribourg Deuxième partie: Hydrogéologie de la région de la Tuff 1ère 117 est de parvenir à quantifier les apports à la nappe provenant du drainage de l'encaissant peu perméable (cf. § 5.5.3). Malheureusement, à l'exception de F", il s'agit de cations sensibles aux changements de milieux. Ils ne représentent pas toujours, dans leurs proportions, l'état réel du mélange de deux ou plusieurs composantes d'eau au sein d'un système. Lc cation Mg++ se prête le mieux au calcul des proportions du mélange entre les composantes d'eau d'infiltration locale "directe" et "retardée" pour les raisons suivantes: - Dans chaque composante, ce cation possède les concentration Les moins disparates (8 à 13, respectivement 30 à 35 mg/1). Le contraste de concentration entre chaque composante est relativement grand. - Dans l'eau d'infiltration locale "retardée", les concentrations en Mg++ ne dépassent pas une certaine limite située à environ 36 mg/1, ce qui facilite les calculs de proportion. Cette valeur correspond, selon nos observations, à une limite maximale de saturation en Mg++, dans des eaux bicarbonatées à faible teneurs en sulfate (cf. Partie 3, § 3.3). - Les eaux du lac, tout comme celles de l'infiltration "directe" contiennent peu de Mg++ (3 à 7 mg/1). De ce fait, elles ne masquent pas la contribution de l'infiltration "retardée". Dans le cas présent, la minéralisation en Mg++ trace, par échange ionique, un milieu à faible perméabilité, pauvre en oxygène. Il ne s'agit pas d'un fait unique, particulier à l'aquifère de la Tuffière: On peut observer des phénomènes semblables, mais souvent moins spectaculaires, dans d'autres aquifères du Plateau (Partie 3, § 2). Les traceurs Sr++ et Ba++ ne sont pas adaptés au calcul quantitatif des proportions entre les différentes composantes d'eau d'infiltration locale. En effet, si l'eau dont ils sont les traceurs change de milieu, ils peuvent être rapidement soumis à des phénomènes d'adsorption. En outre, nous n'avons pas remarqué que ces traceurs atteignent une limite maximale de concentration comme l'ion Mg++, permettant de ne pas trop se tromper sur Ia valeur de leur concentration dans l'eau d'infiltration locale "retardée". Le Li+ et le F" devraient bien convenir à un tel calcul pour autant que les concentrations de départ dans chaque composante d'eau soient connues et relativement homogènes au sein d'un groupe de points d'eau de même origine. Il semble que ces deux éléments ne sont pas toujours des traceurs de l'ensemble de l'encaissant des graviers mais proviennent plutôt de strates particulières. 5.3.3 Caractéristiques isotopiques de l'infiltration locale "retardée" a) Le Tritium Dans les sources SIFR marquées par l'eau d'infiltration retardée (sources 21 à 25), l'évolution du Tritium dépend des proportions à chaque source d'eau du lac et d'eau d'infiltration locale "rapide" et "retardée". Cependant, cette dernière composante peut aussi posséder une part d'eau pauvre en Tritium, provenant des couches quaternaires profondes ou de la molasse, dont le temps de séjour souterrain moyen dépasse 40 ans. En effet, pour la période de août 1985 à juillet 1986 (5 observations synchrones), la moyenne des écarts de Tritium entre les sources 20 et 23 correspond à 38.5% de la moyenne des écarts de Tritium entre les sources 20 et 26, alors que cette valeur est de 55% en ce qui concerne l'Oxygène-18. Contribution à l'étude des eaux souterraines de la région de Fribourg 118 Deuxième partie: Hydrogeologie de la région de la Tuffière 26 25 24 23 22 21 20 19 18 B4 B3 B2 Bl EIIIIIIII I I I I 11.0 Température jqj 8C) Ca++[mg/I] Na+[mg/ll 10.0 9.5 100 90 80 70 4.0 3.5 3.0 2.5 Z /C ~7 Z ZZl 550 500 Conductibilité 4^0 électrique 400 (uS/cm ì 200C] 350 g Mg+ + [mg/t) IZ Z- 12.0 10.0 Cllmg/1] 8.0 6.0 4.0 N03-[mg/ll 25 20 15 10 "7 Z ^=T 30 25 20 15 10 S04--[mg/U U+Ui g/i] 80 70 60 50 Z r 60 Tritium (UT] 50 vtleuri du 40 19.02.86 30 IZ m" J"ow --11.5 -12.0 --12.5 I I I I I ! I I I I I I I 26 25 24 23 22 21 20 19 18 B4 B3 B2 Bl valeurs du 19.02.86 Fig. 2.32: Valeurs moyennes relatives à 11 paramètres physico- chimiques et isotopiques aux sources SIFR (18-26) et de la Baume (Bl à B4). Localisation en fig. 2.18. Contribution à l'étude des eaux souterraines de la région de Fribourg Deuxième partie: Hydrogéologie de la région de la Tuffière 119 En l'absence de point d'eau fournissant la composante locale "retardée", nous n'avons pas conçu de modèle permettant de différencier ces quatre composantes au moyen des valeurs de Tritium. C'est pourquoi, nous admettons, pour les eaux de l'infiltration locale "retardée", le temps de séjour souterrain moyen, calculé au moyen du modèle exponentiel pour la source 26, qui est de l'ordre de 15 ans. b) Oxygène-18 A l'étude de la dilution des eaux locales par celles du lac de la Gruyère, il s'avère que les eaux d'infiltration "retardée" ont un 31^q moyen presque identique à celui des eaux d'infiltration locale "directe". La figure 2.40 montre que la dilution chimique (conductibilité électrique) et isotopique (Oxygène-18) des eaux du lac s'opère entre deux pôles (infiltration locale s. 1. et lac), de manière linéaire et sans intervention d'une troisième composante. Cette observation n'est pas étonnante puisque les deux types d'eau d'infiltration locale ont la même origine. Cependant, ce fait signifie que l'eau d'infiltration locale "retardée" ne provient pas du Gibloux, mais du plateau de 700 m. d'altitude, délimité en fig. 2.3. En effet, les grandes sources du pied nord du Gibloux (Kaisa d'Avau, cf fig. 2.3) ont un 518O moyen de -11.15 (altitude de 960 ±40 m, cf fig. 3.42) qui se distingue bien du 518O (-10.4) des sources locales de la Tuffière, correspondant à l'altitude de 710 m. 5.4 L'eau du lac de la Gruyère Les eaux du lac de la Gruyère proviennent à plus de 90% des Préalpes (bassins versants de la Sarinc et de la Jogne) et possèdent des caractéristiques physicochimiques particulières qui les différencient bien des eaux d'infiltration locale. Elles sont Ia troisième composante participant aux mélanges observés dans les sources de la Tuffière. La fig. 2.32 met en évidence l'effet de dilution ou d'enrichissement des eaux de l'aquifère par celles du lac: Aux diverses sources de la Baume et des SIFR, la composante "lac" apparaît à des proportions variant entre 5 et plus de 80%. L'étude physico-chimique des eaux du bas-lac (région d'alimentation de l'aquifère) a permis de quantifier ces proportions et de décrire les mécanismes d'alimentation de l'aquifère par le lac. 5.4.1 Caractéristiques physicochimiques Les principales caractéristiques des eaux du lac sont les suivantes: - variations saisonnières importantes de la qualité physico-chimique de l'ordre de 30% des valeurs moyennes, - minéralisation moyenne sensiblement inférieure à celle des eaux de l'infiltration locale avec: = K20 entre 290 et 330 u.S = Dto entre 170 et 190 mg/l CaC03 = TAC entre 135 et 145 mg/l CaCÛ3 = Ca++ entre 60 et 70 mg/l - hautes teneurs relatives en SO4" (30 à 40 mg/l) et Sr++ (>0.7 mg/l). Ces deux ions proviennent principalement des gisement sulfatés des Préalpes. - pH élevé (7.7 à 8.4) - faibles teneurs, typiques des eaux karstiques des Préalpes, en Li+: (20 - 30 ug/1), Na+: (2 - 3 mg/l), Mg++: (5 - 6 mg/l), Ba++: (30 - 60 ug/1), F": (50 - 70 ug/1), Cl*: (3 - 5 mg/l), NO3-: (2 - 5 mg/l), SÌO2: (1 - 3 mg/l), Contribution à l'étude des eaux souterraines de la région de Fribourg 120 Deuxième partie: Hydrogéologie de la région de la Tuffière SUP 410 [uS/cm] 380 - 410 350 - 380 320 - 350 290 - 320 260 - 290 INF 260 CONDUCTIBILITE SUP 20 [°C] 16 - 20 12 - 16 8-12 4-8 NF 4 TEMPERATURE Fig. 2.33: Evolution de la conductibilité électrique et de la température des eaux du lac de la Gruyère, en fonction de la profondeur et du temps, au barrage de Ressens. Contribution à l'étude des eaux souterraines de la région de Fribourg Deuxième partie: Hydrogéologie de la région de la Tuffière 121 5.4.2 Evolution spatio-temporelle des caractéristiques Si le niveau du lac fluctue dans le temps (fig. 2.19), son chimisme varie dans le temps, selon la profondeur et, dans une moindre mesure, dans l'espace1. L'évolution spatio-temporelle de la conductibilité électrique et de la température (fig. 2.33) parraît assez éloquente: A la fin de l'automne et en hiver, Ie lac est généralement bien mélangé. La conductibilité électrique de ses eaux est constante sur le profil et relativement élevée (340 à 400 p. S). La fonte de la calotte de glace en hiver provoque temporairement une petite stratification en surface (profil de février, fig. 2.35). A la fin du printemps, la fonte des neiges dans les Préalpes apporte une eau peu minéralisée (270 - 300 p.S). De mai à septembre, on assiste à une stratification des températures et de la minéralisation du lac (profils de juin et de septembre, fig. 2.35). Dès le mois de septembre, la minéralisation augmente à nouveau dans le lac, les eaux véhiculées par les rivières étant plus chargées en éléments minéraux et l'activité biologique au sein du lac plus faible. Température moy. [0C] 7 8 9 10 11 12 13 T--------------1---------------1---------------'--------------1---------------'---------------1---------------¦---------------1--------------'—: 677 m ------=^==------ niv. max. K20 moy. [uS/cm] 7-------1-------1--------1--------1-------1--------1--------1--------1-------1-------1--------1--------1------- 290 300 310 320 330 340 350 360 Fig. 2.34: Température et conductibilité électrique moyennes en fonction de la cote du lac de la Gruyère. Valeurs déduites des données de la fig. 2.33. 1 Six profils de mesures (échantillons prélevés en surface, à -5, -10 et -20 m) répétés à deux reprises en été, à divers endroits du lac ont permis de mettre en évidence que les mesures faites au barrage de Rossens sont représentatives de toute la région du bas lac située à l'aval de Pont-en-Ogoz. Par contre, les valeurs observées à l'amont de Gumefens diffèrent sensiblement de celles recueillies au barrage. 670 660 E » S 1—1 6S0 4> -O 3 *- *-> < 640 630 670 Contribution à l'étude des eaux souterraines de la région de Fribourg 122 Deuxième partie: Hydrogeologie de ta région de la Tuffière 250 300 350 400 microS ---£.___ r \ • J i / i ¦ ; 28.10.85 I 28.06.85 : i 04.09.85 •14.02.85 11.04.85 5 - 10 15 - 20 - 25 - 30 - 35 - 40 - 45 - 50 - prof(m) Fig. 2.3S: Cinq profils de conductibilité électrique des eaux du lac de la Gruyère au barrage de Rossens, durant l'année 1985. Les composants chimiques principaux (Ca++, Mg++ et HCO3*) évoluent de la même manière que la conductibilité électrique. A cause du salage des routes en hiver, le maximum de concentration de Na+ et Cl" arrive durant l'hiver et au début du printemps (fig. 2.36). La dilution de l'ion SO4" atteint son maximum 1 à 2 mois avant celle de la conductibilité électrique. En effet, au printemps et en été, deux phénomènes principaux provoquent la diminution de minéralisation des eaux du lac: Il s'agit d'une part de l'effet de dilution provoqué par les eaux de fonte des neiges au printemps et, d'autre part, de la perte de carbonates due à l'activité biologique dans la tranche superficielle du lac, en été. Or, ce dernier phénomène n'affecte pas les concentrations en SO4" car, au cours de l'été, sur un même profil, au demeurant fortement stratifié en ce qui concerne la température et la conductibilité électrique, les concentrations en SO4" restent relativement stables: profondeur K20 ["uS/cml Temp. T0Cl 31SO r°/ooi Ca Fms/ll Mg [mg/11 SO4" fmg/11 surface 224 21.6 -11.29 40.0 5.16 30.5 -5 m 251 19.4 -11.83 47.5 4.96 30.3 -10 m 276 16.8 54.0 4.82 29.9 -20 m 286 14.1 -12.46 56.5 4.74 29.4 Données physico-chimiques et isotopiques des eaux du lac de la Gruyère, sur un profil en amont du barrage de Rossens, le 16. 08. 1985, période durant laquelle le lac est fortement stratifié. Contribution à l'étude des eaux souterraines de la région de Fribourg Deuxième partie: Hydrogeologie de la région de la Tuffière 123 Fig. 2.36: Evolution temporelle des paramètres physico-chimiques des eaux en surface du lac de la Gruyère, pour la période de septembre 1984 à décembre 1987 (prélèvements au barrage de Rossens). Contribution à l'étude des eaux souterraines de la région de Fribourg 124 Deuxième partie: Hydrogéologie de la région de la Tuffière 5.4.3 Evolution spatio-temporelle des paramètres isotopiques L'étude de ce phénomène nécessiterait un nombre impressionnant de mesures d'Oxygène-18, de Deuterium et de Tritium, et permettrait de bien comprendre la dynamique du lac. Afin de mieux connaître la composante "lac" des eaux de l'aquifère de la Tuffière, nous nous sommes limités à tirer les grandes lignes de l'évolution spatio-temporelle de I'Oxygène-18 dans le lac. En été, particulièrement, ce paramètre montre une très forte stratification par fractionnement isotopique dû à !'evaporation puisqu'en surface, la température s'élève à plus de 2O0C (cf. § 5.4.2 et fig. 2.33). 550 500- 450^ Source SIFR 26 - -10.5 v Source SIFR 23 400- 350- 300- 250- Souice SIFR 20 O -11.0 «> - -11.5 - -12.0 ? 318O relatif à la cote de 667 m dans le lac ~1—I—I—i SOND 1984 —i—i—i—i—i—i—i—i—i—i—i——m—i—i—i—i—i—i—i—i—i—r J FMAMJ J AS ONDJFMAMJ J AS OND - -12.5 1985 1986 Fig. 2.37: Evolution temporelle de la conductibilité électrique et du 9^0 aux sources SIFR 20, 23 et 26 ainsi que pour le lac de la Gruyère (valeurs reportées à la cote 667 m = cote maximale - 10 m). Contribution à l'étude des eaux souterraines de la région de Fribourg Deuxième partie: Hydrogéologie de la région de la Tuffière 125 En fig. 2.37, nous avons représenté, en parallèle à la conductibilité électrique, l'évolution du 318O relatif à la cote 667 m dans le lac (cote maximale - 10 m). On constate qu'entre les mois d'avril et de juin, le 318O chute considérablement (318O < -12.5 %>o) à cause de l'arrivée d'eau de fonte des neiges. Dès le mois de juin, le 318O remonte jusqu'à des valeurs situées entre -11.5 et - 12.0 °/oo (effet de stratification et arrivée dans le lac d'eau moins pauvre en 18O des pluies d'été). On constate aussi que 1'18O évolue de manière semblable à la conductibilité électrique mais avec deux mois d'avance. Ce décalage est probablement dû au fait qu'après l'arrivée des crues de fonte des neiges, la minéralisation en surface du lac reste basse à cause de l'activité biologique et que 1'18O augmente pour les raisons citées ci-dessus. Il existe une relation presque linéaire entre les 318O et les conductibilités des eaux aux diverses sources des zones sourcières SIFR et Baume. Sur la base de cette relation, nous déduisons que pour la période d'observation, la composition moyenne des eaux qui s'exfiltrent du lac (composante "lac") est la suivante: Conductibilité électrique: 310 ±20 p-S/cm 318O -12.3 ±0.2 o/oo Nous constatons enfin que les eaux peu minéralisées et riches en 18O de la strate superficielle d'été n'apparaissent pas dans la composante "lac" des eaux aux sources (fig. 2.40). 5.5 Les eaux d'origine mixtes aux sources SIFR et Baume Les sources SIFR et Baume constituent un bel exemple de mélange où les trois composantes décrites ci-dessus apparaissent en proportions diverses, bien identifiables. 5.5.1 Caractéristiques physicochimiques Les figures 2.29 et 2.32 montrent la distribution spatiale des paramètres physico- chimiques aux sources SIFR (d'ouest en est, sources 26 à 18) et Baume (du nord au sud, sources B4 à Bl). Les sources 19, 20, B3 et B4 sont les plus influencées par le lac. Cette influence du lac se montre par une augmentation de la Température et de l'ion S0.4", une dilution de la minéralisation (K20, Dto, TAC, Ca++, Na+, Cl", NO3-...) et une diminution des valeurs isotopiques 518O et Tritium. Les ions Mg+ + , Sr+ + , Ba+ + , Li+ et F" se voient influencés par la composante d'infiltration retardée avec des teneurs maximales aux sources SIFR 22, 23 et 24. a) La température est un marqueur des eaux du lac. Aux sources uniquement influencées par l'eau d'infiltration locale, la température se situe entre 9.5 et 9.60C. Dans les sources influencées à plus de 70% par le lac, la température augmente à une valeur située entre 10.8 et 11.3°C. Les variations saisonnières de température du lac (2 à 24°C en surface) sont totalement amorties dans l'aquifère. Aux sources de la Tuffière, la fourchette de variation ne dépasse pas 0.1 à 0.30C. b) La conductibilité électrique. Ce paramètre représente le comportement de la minéralisation et de la dureté totale. II est, à cause de la dilution des eaux de l'aquifère par celles du lac, un excellent traceur des eaux d'infiltration locale. En effet, les conductibilités varient dans le lac entre 220 et 400 u.S, alors que dans les eaux d'infiltration "directe" ou "retardée", elles se situent entre 560 et 630 u.S. Dans l'eau des sources les plus influencées par le lac, la conductibilité descend jusqu'à des valeurs inférieures à 350 p.S. A part quelques phénomènes minimes d'échange non quantifiables avec le milieu, les eaux du lac étant équilibrées (SI = 0.2) ne subissent pas d'altération notable de leur minéralisation au cours de leur transit à Contribution à l'étude des eaux souterraines de la région de Fribourg 126 Deuxième partie: Hydrogeologie de ta région de la Tuffière l'intérieur de l'aquifère. Dc ce fait, la conductibilité électrique, comme 1'18O et l'ion SO4" se prête bien aux calculs de mélange (cf. § 5.5.3). L'étude des variations temporelles de conductibilité aux sources permet de déduire, en outre, les vitesses d'écoulement entre le lac et les sources (cf. § 5.5.4): La fig. 2.19 résume l'évolution temporelle des conductibilités électriques dans les sources 20 à 26 et B3. Cette figure est construite sur la base de 80 mesures bimestrielles à chaque point d'eau: A l'instar du débit, les conductibilités électriques fluctuent de manière saisonnière. D'éventuelles variations dues à des événements pluvieux exceptionnels, de courte durée, sont totalement amorties. La source 26, tributaire à 89 ±5% des eaux d'infiltration locale, montre de faibles fluctuations de conductibilité. Lors des trois "crues" de 1985, 86 et 87, toutes les sources montrent un maximum de conductibilité. On remarque que ces maxima sont progressivement décalés (100 jours entre les sources 25 et 20). Nous expliquons ce phénomène de décalage des maxima par la superposition de deux processus: - Processus 1: L'eau du lac, s'écoulant au centre du sillon d'illens envahit, lors d'un crue, l'ensemble du sillon: Lorsque Ie niveau piézométrique s'élève dans l'aquifère, le débit aux sources augmente. Parallèlement, une source faiblement ou moyennement tributaire des eaux du lac reçoit alors l'eau moins minéralisée qui s'écoulait précédemment à la source voisine, plus fortement tributaire du lac. Inversement lors de la décrue, les conductibilités augmentent dans les sources faiblement tributaires du lac. Ce premier processus s'observe bien aux sources 18, 24 et 25. - Processus 2: Des vagues d'eau plus ou moins minéralisées s'écoulent dans le sillon d'illens: Durant les mois d'hiver, Ie lac n'alimente que faiblement l'aquifère. Les eaux d'infiltration locale, par contre, continuent à l'approvisionner, provoquant une augmentation de la minéralisation moyenne de ses eaux. Au début de l'été suivant, ces eaux sont poussées vers les exutoires par la nouvelle crue. Aux sources fortement tributaires du lac, elles provoquent une augmentation des conductibilités synchrone à la crue, par effet piston. Ce pic de conductibilité est alors suivi par une baisse due à l'arrivée de l'eau fraîchement exfiltrée du lac. Ce deuxième processus s'observe aux sources 19, 20 et B3. Les variations temporelles de la qualité des eaux du lac jouent aussi un rôle important dans ce processus et compliquent ce modèle. c) Le Lithium: Le Li+ semble être fortement influencé par les eaux d'infiltration "retardée". Il évolue de manière semblable au Mg++ et est bien corrélé à ce paramètre, lorsque les concentrations en Li+ dépassent 55 (ig/I Cependant, au contraire du Mg++, sa concentration dans les eaux de la zone sourcière du Grabe est très hétérogène et oscille entre 15 et 45 u.g/1. d) Le Sodium Le Na+ montre une évolution spatiale particulière, difficile à interpréter, étant donné que ce paramètre peut avoir plusieurs origines distinctes (échange ionique sur les minéraux argileux, dissolution, salaison des routes, engrais, essais de traçage au NaCl ...). Les teneurs de Na+ dans les eaux du lac oscillent entre 1.5 et 4 mg/l et entre 4 et 8 mg/1 dans les eaux d'infiltration locale directe. Dans l'état actuel de nos connaissances, aucun argument ne permet d'attribuer les teneurs en Na+, supérieures à 4 mg/1 des sources 23 à 25 à l'eau d'infiltration locale "retardée". e) Le Potassium: Les teneurs en K+ se situent, comme dans la plupart des eaux du quaternaire, entre 0.7 et 2.0 mg/1. C'est un des seuls traceurs qui ne présente pas de contraste évident entre les eaux du lac et celles de l'infiltration locale. Contribution à l'étude des eaux souterraines de la région de Fribourg Deuxième partie: Hydrogéologie de la région de la Tuffière 127 O /UU --------------------9---------------- • 600 • • . • •• .*• 500 t • • • 9 • •• • •• • 400 • • • • •• • • . . i j____i___I___i___i___I___.____i____L . . i . . 0 10 15 20 25 N03- [mg/I] 30 35 40 Fig. 2.38: Eaux de l'aquifère de Ia Tuffière: Relation entre la conductibilité électrique et l'ion N03" (valeurs moyennes). Cet ion, presque absent des eaux du lac de la Gruyère se voit dilué par celles-ci au sein de l'aquifère. f) Calcium et Magnésium: En fig. 2.32, on remarque que d'une source à l'autre, les concentrations en Ca++ évoluent de la même manière que la conductibilité électrique. Cependant, aux sources 21 à 24, la diminution est plus forte car le Ca++ des eaux d'infiltration locale "directe" n'est pas seulement dilué par les eaux du lac mais est dilué aussi par la composante d'infiltration locale "retardée" qui possède un rapport Ca++/Mg + + relativement très faible pour une même minéralisation totale. Ce fait se traduit par une augmentation du Mg++aux sources 21 à 24 où apparaît, de manière privilégiée, la composante d'infiltration locale "retardée". g) Le Strontium: Le Sr++ réagit d'une manière tout à fait particulière: Son évolution dans les sources est semblable à celle du Mg++ et du Li+ et marque les eaux d'infiltration locale "retardée". Cet élément dont les teneurs mesurées dans le lac dépassent 700 u.g/1, semble être fortement adsorbé (30 à 40%) dans le milieu aquifère puisque les concentrations moyennes aux sources les plus influencées par le lac oscillent entre 460 et 510 jig/1. Cependant, nos valeurs relatives à l'eau du lac se basent sur 12 prélèvements principalement automnaux, non significatifs des concentrations moyennes lors des hautes eaux de printemps. C'est pourquoi, nous ne savons pas pourquoi on retrouve des concentrations relativement basses en Sr++ dans les sources fortement tributaires des eaux du lac. Cette diminution peut être due soit à de très faibles teneurs dans les eaux du lac au printemps, durant la période de forte alimentation de l'aquifère, soit aux phénomènes d'adsorption cités. n) Le Baryum: Le Ba++ ne montre pas de comportement géochimique type et reste très difficile à interpréter. II semble être lié aux eaux qui proviennent de l'encaissant peu perméable des graviers de la Tuffière, sans toutefois que l'on puisse corréler systématiquement ses concentrations à celles d'autres traceurs particuliers. Contribution à l'étude des eaux souterraines de la région de Fribourg 128 Deuxième partie: Hydrogéologie de la région de la Tuffière i) Les fluorures: Les teneurs en F* montrent, dans les sources SIFR1 une évolution semblable à celles de Mg++ . Cependant, aux sources de la Baume, leur comportement est inverse, plus riches (=100 u, g/I) dans les eaux fortement tributaires du lac et plus pauvres dans celles de l'infiltration locale. Toutes les eaux de l'aquifère de la Tuffière possèdent d'ailleurs de très faibles teneurs en F", proches de la limite de détection de la méthode («50 u.g/1, cf. Annexe C). j) Chlorures et nitrates: L'évolution spatiale des ions Cl" et NÛ3" est très semblable à celle du Ca++. Fortement dilués par les eaux du lac (fig. 2.38), ils subissent aussi, aux sources 21 à 24, une dilution supplémentaire de la part de l'eau d'infiltration locale "retardée". k) Les sulfates: La répartition des concentrations moyennes en SO4" va de manière inverse à Ia conductibilité électrique et à I'Oxygène-18 (cf. § 5.5.3 et fig. 2.32 et 2.39). Il s'agit d'un très bon traceur des eaux du lac mais difficile à doser de manière précise. I) Silice dissoute: Les teneurs en SÌO2 suivent celles de la conductibilité électrique (fig. 2.29). Elles sont toutefois proches de la saturation du quartz (11 mg/1, cf. Partie 3, § 2.10) relative à ce type d'eau. Jl__________I___________I___________I__________I___________I___________I__________I___________I___________I__________L JOO 350 400 450 500 550 600 Conductibilité électrique [uS/cm à 2O0C] Fig. 2.39: Corrélation entre la conductibilité électrique et l'ion S04-- (valeurs moyennes) aux différents exutoires de l'aquifère de la Tuffière et au lac de la Gruyère. Contribution à l'étude des eaux souterraines de la région de Fribourg Deuxième partie: Hydrogéologie de la région de la Tuffière 129 5.5.2 Caractéristiques isotopiques / a) Tritium A l'instar des paramètres physico-chimiques principaux et de 1'*8O, le Tritium montre aussi une diminution d'une source à l'autre, proportionnelle à l'augmentation de la composante "lac" aux points d'eau étudiés. Concernant ces phénomènes de dilution, les quelques mesures faites aux sources concordent avec celles d'180. Nous référons Ie lecteur aux § 5.3.3 et en Partie 3, § 6.4 concernant la détermination de temps de séjour souterrains par la méthode du Tritium. b) Oxygène-18 D'une source à l'autre, les valeurs moyennes d'180 se corrèlent très bien avec celles de la conductibilité électrique: Plus la part de la composante "lac" croît, plus le 318O diminue (cf. fig. 2.32). Ce paramètre montre une évolution temporelle en forme de sinusoïde à période d'un an (fig. 2.37), similaire à celle de la conductibilité électrique mais avec une amplitude relative plus grande (dispersion plus grande de la minéralisation que de 1'18O). Comme dans les eaux du lac, les variations d'180 précèdent celles de la conductibilité électrique d'environ 2 mois. Contrairement à la conductibilité électrique, la source 26 montre une fluctuation évidente avec maxima en avril-mai et minima en décembre-janvier. Comme pour la conductibilité, les maxima et minima d'l80 dans la source 23 précèdent ceux de la source 20 d'environ 2 mois. Nous expliquons l'évolution de 1'18O aux sources 20 et 23 de la même manière que pour la conductibilité électrique (cf. § 5.5.1): - effet piston depuis le lac - migration latérale des eaux en fonction de l'état hydrodynamique. A ces deux effets s'ajoute une évolution temporelle de la composante d'eau d'infiltration locale. En effet, la fluctuation d'180 à la source 26 est probablement liée à l'évolution temporelle de la qualité isotopique des eaux d'infiltration locale, les valeurs minimales de décembre et janvier provenant de l'infiltration des pluies pauvres en 18O du printemps précédent (cf Partie 3, § 5.4, source G3). 5.5.3 Quantification des mélanges aux sources Aux divers exutoires de l'aquifère de la Tuffière, sourd une eau qui résulte du mélange, en différentes proportions, des composantes suivantes: - eau d'infiltration locale "directe" - eau d'infiltration locale "retardée" - eau du lac de la Gruyère. Durant cette section, nous proposons d'utiliser les traceurs physico-chimiques et isotopiques les plus adéquats pour quantifier ces mélanges. La conductibilité électrique,l'ion SO4", l'Oxygène-18 et le Tritium permettent de différencier quantitativement l'eau provenant du lac de l'eau d'infiltration locale dans son ensemble. Contribution à l'étude des eaux souterraines de ta région de Fribourg 130 Deuxième partie: Hydrogeologie de la région de la Tuffière Le Mg++ et, dans une moindre mesure, Ie Li+ permettent de différencier quantitativement l'eau d'infiltration locale "retardée" des autres composantes. Les autres traceurs typiques de Tune des trois composantes permettent de déduire des informations qualitatives sur ces mélanges. a) Proportions d'eau du lac dans l'aquifère. Des relations entre la conductibilité électrique, l'ion SO4" et le S1^O mesuré dans les sources (fig. 2.39 et 2.40), nous déduisons la composition moyenne des eaux s'exfiltrant du lac comme suit: - Conductibilité électrique: -8"0: - SO4": 310 ±20 U.S -12.3 ±0.2 °/oo 37.5 ±2 mg/I Les valeurs de K20 correspondent aux valeurs moyennes relatives à une cote de 669 ±3 m dans le lac (fig. 2.34). Dans les eaux d'infiltration locale, les valeurs moyennes de ces trois paramètres sont les suivantes: - Conductibilité électrique: -5«0: - SO4": 590 ±20 u.S -10.3 ±0.2 °/oo 10.0 ±2 mg/1 «fo- is %0 -10- -11 — -12- T1.....T- T------r 300 400 T-------1--------1--------1--------1----- 500 ? • A Sources SIFR A Source B3 • Sources locales ¦ Lac, surface • Lac, -5m D Lac, -20m — prélèvement hivernal J prélèvement estiva) Conductibilité microB/cm "1 ' "~ 600 Fig. 2.40: Corrélation entre 31^O et conductibilité électrique des eaux aux sources SIFR, à une source de la Baume (B3), aux sources tributaires de l'infiltration locale (G2, G3, 07, S3) et les eaux du lac de la Gruyère, à diverses époques de l'année et diverses profondeurs Contribution à l'étude des eaux souterraines de la région de Fribourg Deuxième partie: Hydrogéologie de la région de la Tuffière 131 Sur cette base, nous pouvons calculer, par simple règle de trois au moyen des figures 2.39 et 2.40, les proportions d'eau du lac s'écoulant à chaque source ou zone sourcière. Les valeurs listées ci-dessous résultent de la quantification de la composante "lac" dans les sources ainsi obtenues. Source, zone sourcière % eau du lac Total des exutoires de l'aquifère: 45 ± 8% Zone sourcière 1 Grabe total: 0 % Zone sourcière 2 SIFR total: 46 ± 7% Source 20, SIFR: 73 ± 7% Source 23, SIFR: 42 ± 11% Source 26, SIFR: 11 ± 5% Zone sourcière 3 Baume total: 68 ± 10% Source Bl, Baume: 30 ± 11% Source B3, Baume: 82 ± 9% b) Proportions d'eau provenant de l'encaissant peu perméable. Aux sources SIFR, il y a présence des trois composantes d'eau décrites plus haut. On peut calculer les proportions d'eau provenant de l'encaissant peu perméable sur la base da la fig. 2.41. Cette figure montre la répartition des divers points dans le champ Ca++/ M g+ +. Les trois composantes d'eau s'individualisent bien et les mélanges s'ordonnent entre ces trois pôles: - eau d'infiltration locale "directe": Ca++: 117.5 ±5 mg/1 Mg++: 13 ±2 mg/1 - eau d'infiltration locale "retardée" Ca++: 60 ±10 mg/1 Mg++: 33 ±2 mg/1 - eau du lac de la Gruyère. Ca++: 65 ±5 mg/1 Mg++: 6 ±1 mg/1 Gardons en tête qu'un tel calcul donne un ordre de grandeur indicatif et que la distribution des points eux-mêmes dans le diagramme est tributaire du comportement géochimique des traceurs. Source, zone sourcière % eau du lac % infiltrat. locale "directe" % infiltrat. locale "retardée" Total des zones sourcières: 38 38 _j 24 Zone sourcière 1 Grabe total: 0 100 0 Zone sourcière 2 SIFR total: 38 35 27 Source 20, SIFR: 65 3 32 Source 23, SIFR: 25 25 50 Source 26, SIFR: 5 82 13 Zone sourcière 3 Baume total: 64 11 25 Source Bl, Baume: 22 56 22 Source B3, Baume: 70 4 26 Les proportions d'eau du lac diffèrent beaucoup, comparativement aux résultats présentés plus haut. La cause pourrait être une modification du rapport Ca++/Mg + + des eaux du lac durant leur trajet souterrain. En effet, si l'on modifie les valeurs Contribution à l'étude des eaux souterraines de la région de Fribourg 132 Deuxième partie: Hydrogéologie de la région de la Tuffîère relatives au pôle "lac" en diminuant la concentration de Ca++ et en augmentant proportionnellement celle du Mg++ , on obtient, par calcul, des valeurs plus proches de celles obtenues avec les paires 18O - K20, 18O - SO4" et K20 - SO4". Ce calcul sur la base des ions Mg++ et Ca+ + , destiné à déterminer les proportions d'eau provenant de l'infiltration directe et du drainage de l'encaissant peu perméable devrait être applicable de manière semi-quantitative à d'autres systèmes hydrogéologiques dans la région du plateau fribourgeois (cf. Partie 1, § 3.3). 140 120 - 5 100 (SJ) + a 80 u 60 " 40 ---------1----------1---------r ----------1-----------1-----------1-----------1- 1 ¦ —1------- —1-----------------------1---------- r 1 Composante II: Eaux de l'infiltration jt<^7^\ "directe" /;.'• ."• V-Va r *¦ '.'-¦"¦¦'•"•"¦ 1 1 1 1 I ¦ /èi^*^6 • v ' '• ^^r v .• '-y Composante I: ' Eaux du lac de / 18¾. / \ X I / *\ N. I / * \ —^^jß \ / B4^—-VL la Gruyère h\ J^ 22 ,24 Dom; eaux une possible pour les . de la composante III -;:;¾:*;:;¾¾ - r p . 1 -L- ' p X*v.'-i/ 0 10 15 20 25 Mg++ [mg/I] 30 35 Eaux de la molasse burdigalienne Fîg. 2.41: Diagramme Ca++/Mg++ relatif aux eaux de l'aquifère de la Tuffière. Dans les sources SIFR et de la Baume, la qualité des eaux est influencée par les composantes "lac", "infiltration directe" et "infiltration retardée", proche du type "molasse" (cf. fig. 2.30). Sur la base de cette figure, en négligeant les phénomènes d'échange survenant lors des mélanges, on peut donner une appréciation quantitative des proportions des trois composantes dans chaque source. Le pôle de la composante d'infiltration retardée (composante III) reste mal défini. 5.5.4 Vitesses de circulation entre le lac et les sources Les fluctuations du niveau du lac de la Gruyère provoquent une alimentation de l'aquifère par vagues successives d'eau peu minéralisée, riche en sulfates et pauvre en Oxygène-18. Depuis le lac jusqu'aux zones sourcières, cette eau transite à Ia base des graviers de la Tuffière, dans le sillon d'Illens. L'écoulement y est du type "piston-flow". A la zone sourcière SIFR, une période de très forte alimentation par le lac se traduit, avec environ deux mois de retard, par une augmentation de débit. A celle-ci Contribution à l'étude des eaux souterraines de la région de Fribourg Deuxième partie: Hydrogéologie de la région de la Tuffière 133 fait suite, 6 à 8 mois plus tard, une diminution de la minéralisation des eaux, respectivement une augmentation des teneurs en sulfates. Ce phénomène se reproduit chaque année systématiquement (fig. 2.19). Lors de la crue de 1985, le transit de l'onde faiblement minéralisée du lac, jusqu'à la source 20, dure de juin 85 à mi-mars 1986 et celui de l'onde d'eau pauvre en 1^q a Heu de mai 85 à février 86. Le trajet parcouru étant de 5 km, ces temps de transit correspondent à des vitesses de déplacement de l'eau de l'ordre de 15 à 20 m par jour (0.62-0.83 m/h). Suivant le même principe, on trouve des valeurs identiques de transfert pour la source B3 de la zone de la Baume, située 1.5 km à l'amont de la source 20. Cette observation prouve que les fluctuations physico-chimiques temporelles observées ne sont pas décalées d'un cycle supplémentaire. Les vitesses de transfert de l'onde de potentiel et de déplacement de l'eau diffèrent de ce fait de l'ordre de 1 à 5. Aux sources fortement tributaires du lac (20 et B3), les valeurs de Tritium diffèrent très peu de celles du lac au printemps. Elles témoignent ainsi de la rapidité des transferts et concordent avec les résultats obtenus à l'aide des traceurs K20 et 1^O. Les vitesses calculées coïncident parfaitement avec les vitesses déterminées lors des essais de traçage (tabi. 4). Sur la base de ces vitesses de transfert réelles et en estimant une porosité efficace de l'ordre de 0.17, on peut calculer, à l'aide de l'équation de Darcy, la perméabilité moyenne des graviers dans le sillon d'Illens: Distance parcourue: 5'000m Q moyen sortant du lac 6.85 m3/min = 0.1142 m3/s Gradient moyen: 0.01 (cote au lac: 670, cote aux sources: 620 m) Vitesse de déplacement: 0.0002025 m/s Porosité efficace: 0.17 Vitesse de Darcy (V): 3.4425*10-5 m/s Perméabilité calculée: 3.4-10"3 m/s Section mouillée = Q/V: 3317 m2 (à l'amont des sources de la Baume) S.6 Apport du traçage physico-chimique et isotopique des eaux à la connaissance du système de la Tuffière L'étude physico-chimique et isotopique des eaux a permis de différencier qualitativement et quantitativement trois types d'eau (§ 5.2, 5.3 et 5.4) liés aux origines suivantes: - lac de la Gruyère (42 ±8%), - infiltration "directe" des précipitations locales (36 ±6%), - infiltration "retardée" des précipitations locales, par transit au sein de l'encaissant peu perméable (22 ±4%), L'eau du lac de la Gruyère se caractérise par de faibles conductibilités relatives (310 u.S/cm), des 318O bas (-12.3 °/oo) et des teneurs en SO4" élevées (37.5 mg/1). Le temps de séjour de cette eau s'élève à 2 ans en moyenne. Entre le lac et les sources des SIFR et de la Baume, la vitesse de déplacement de l'eau est de l'ordre de 15 à 20 m par jour. Sur la base des proportions d'eau déduites de l'étude physico-chimique, on a pu quantifier le débit d'alimentation de l'aquifère par Ie lac en fonction du niveau de celui ci (valeur inférieure à 0.5 m^/min pour une cote de 665 m et plus de 12 m^/min à la cote maximale). Contribution à l'étude des eaux souterraines de la région de Fribourg 134 Deuxième partie: Hydrogéologie de la région de Ia Tuffière La composante d'infiltration locale "directe" s'identifie par une minéralisation relativement élevée (590 iiS/cm), des teneurs élevées en Ca+ + , NO3- et Cl" et un temps de séjour souterrain moyen de l'ordre de 5 à 8 ans. La composante d'infiltration locale "retardée" contient des valeurs de Mg++ (33 mg/l).et Li+.relativement élevées. Le temps de séjour souterrain moyen de cette eau est de l'ordre de 15 ans. Le bassin d'alimentation des deux composantes locales est le plateau situé entre le Bry, Corpataux, Magnedens et Farvagny, situé à une altitude moyenne de 710 m. Sur la base des mesures d'^O, on démontre qu'il n'y a pas de proportion significative d'eau provenant du Gibloux. Depuis la surface du bassin, jusqu'à la source G3 du Graboz, le temps de transit moyen ou modal de l'onde d'infiltration "rapide" s'échelonne entre 350 et 550 jours, en fonction de l'état hydraulique du système. 6 Considérations concernant la gestion du système En 1990, l'aquifère est exploité de la manière suivante: - Les sources du Graboz (Gl à G6, propriété du consortium des eaux du Graboz) sont abandonnées et remplacées, depuis septembre 1988 par une batterie de puits de pompage (Fl, F2, F6, F7, F8, cf. fig. 2.18), en amont hydrogéologique de la graviere de Crausa. Le débit total moyen atteint 1200 1/min). L'eau des sources du Graboz, dont le débit a diminué depuis la mise en fonction des puits, s'écoule à la Sarine. L'eau des sources Tl, et T2 (zone du Grabe), exploitée par l'entreprise SGT, sert au lavage des graviers. - Le captage SIFR, au sud du hameau de la Tuffière existe depuis 1959 (9 sources pour un débit total de 10.5 à 11 m^/min, propriété de la ville de Fribourg). Les volumes nécessaires à la consommation sont refoulés dans le réservoir d'Arconciel, le reste (10-30 %) s'en va à la Sarine. - Les sources de la Baume (2.7 m^/min) sont encore inexploitées. La commune de Corpataux projette d'en capter une partie par forage, dans la zone d'exutoire. Aux zones sourcières des SIFR et de la Baume, la courbe d'évolution des débits suit celle de la demande avec des maxima en juillet - août et des minima au printemps. Cependant, elle dépend fortement des variations de niveau du lac de la Gruyère. Les Q348 sont de 7.5, respectivement de 1.1 mVmin. Afin d'augmenter le rendement des sources ou d'exploiter une plus grande quantité d'eau souterraine, plusieurs scénarios de gestion sont envisageables. Nous discuterons ci-dessous, les possibilités suivantes: - alimentation artificielle, - amélioration des conditions d'alimentation de l'aquifère par le lac, - captage des sources de Ia Baume, - captage des eaux de l'interglaciaire, - captage des eaux du sillon d'il lens. Contribution à l'étude des eaux souterraines de la région de Fribourg Deuxième partie: Hydrogéologie de la région de la Tuffière 135 6.1 Alimentation artificielle Une alimentation artificielle aurait pour but de gonfler le débit des sources SIFR en fonction des besoins. L'eau utilisée pour la réalimentation serait celle de la Sarine ou du lac de la Gruyère. Il faudrait choisir un endroit d'injection approprié, de telle manière que le séjour souterrain de l'eau permette une autoépuration suffisante. Les vitesses moyennes réelles sont de l'ordre de 10 à 20 m/jour dans l'aquifère et de 50 à 100 m/jour, dans les zones d'exutoire. Une telle alimentation artificielle induirait une augmentation des débits aux sources et une diminution de la minéralisation moyenne de l'eau. Cette solution est cependant difficilement envisageable pour les raisons suivantes: - Le stockage d'eau au sein des graviers de la Tuffière est relativement faible par rapport aux réserves totales car il n'y a pas de réservoir proprement dit. Le front de l'aquifère étant recoupé par l'érosion, la nappe s'écoule à la base de ce massif graveleux. - Un gonflement trop important de la nappe engendrerait un débordement dans la zone sourcière de la Baume (cote moyenne de la base des graviers: 615 m dans la zone sourcière SIFR et 621 m à la Baume. - Le dimensionnement des captages SIFR ne permet pas un rendement supérieur à 17 - 18 m^/min - Le coût d'une telle opération serait élevé. 6.2 Amélioration des conditions d'alimentation de l'aquifère par le lac En fig 2.20, on remarque que l'aquifère n'est presque plus alimenté par le lac en dessous de la cote 665 m. Cependant, d'après les données des forages (tabi. 3), ces graviers semblent former un sillon qui longe la rive occidentale du lac (fig. 2.10 coupe). Leur base se situe à une cote de 640 m. De ce fait, ils devraient être alimentés encore fortement lorsque la cote du lac descend à 665 m, ce qui n'est pas le cas. On envisager de "curer" les berges du lac au lieu-dit Le Trembley, afin d'améliorer l'alimentation de l'aquifère en basses eaux. Cette solution nécessiterait une étude préalable, visant à déterminer, dans cette région, la géométrie de la base des graviers de la Tuffière et les relations entre les niveaux du lac et de la nappe phréatique. 6.3 Captage des sources de la Baume Le débit des sources de la Baume, sources de débordement de l'aquifère de la Tuffière (cf. fig. 2.9), dépend étroitement des fluctuations du niveau du lac de la Gruyère (fig. 2.19). En basses eaux du lac, la plupart des sources tarissent. Ces sources peuvent apporter un plus considérable en hautes eaux, mais la ressource n'est pas fiable (Qis/Q348 = 3.6). 6.4 Captage des eaux de l'interglaciaire • Dans la région des exutoires du Grabe, nous avons mis en évidence que la présence de graviers à l'intérieur des formations interglaciaires n'est pas exclue. Le débit de décharge de ces eaux pourrait être de 1*000 - 3'000 1/min. Contribution à l'étude des eaux souterraines de la région de Fribourg 136 Deuxième partie: Hydrogeologie de la région de la Tuffière Ces graviers ont été recoupés en forage au sud de Corpataux (fig. 2.9 coupe sl05). Il serait nécessaire de procéder à une prospection hydrogéologique de ces formations afin de résoudre les questions suivantes: - Ces graviers existent-ils? - Quelles sont leurs caractéristiques hydrogéologiques? - Quelle est la qualité de leurs eaux? Selon le concept génétique que nous avons de ces graviers (alluvions fluviatiles ou deltaïques)» il est certain que leur importance est plus grande dans la partie centrale et sud du terrain (région de Rossens - Pont-en-Ogoz), à l'aval du goulet d'étranglement que constituait la traversée de la barre de poudingues de Pont-la- Ville. 6.5 Captage des eaux du sillon d'IHens Le sillon d'IHens parcourt la base des graviers de la Tuffière depuis Pont-en-Ogoz, jusqu'au hameau de la Tuffière (fig. 2.3). C'est par ce sillon que le lac de la Gruyère alimente l'aquifère. Le captage des eaux de ce sillon devrait avoir lieu dans la région de Rossens, à environ 2 km à l'aval du lac: A cet endroit, la tranche saturée des graviers est probablement plus grande (8 - 15 m) que dans la région des exutoires (0 - 8 m). Un tel captage aurait les avantages suivants: - Augmentation importante des débits de pointe, - Exploitation des réserves de l'aquifère, - Captage indirect des sources de la Baume par baisse du niveau hydrostatique à l'aval du lieu de captage, - Augmentation de l'alimentation par le lac à cause de l'accroissement des gradients... Ce captage devrait être conçu pour extraire un débit de l'ordre de 5 à 10 m^/min. Il pourrait être combiné au captage des eaux de l'interglaciaire, décrit plus haut. Il constituerait, à nos yeux, une très bonne solution visant à augmenter Ia productivité de l'aquifère de la Tuffière. 6.6 Conclusion L'aquifère de la Tuffière est actuellement exploité "au fil de l'eau" Le gestionnaire ne peut compter que sur les débits minimaux. Plusieurs solutions permettraient d'augmenter Ia productivité hydraulique. Parmi celles-ci, la solution Ia plus attrayante consiste à capter par un ou plusieurs puits, les eaux des graviers de la Tuffière ainsi que celle des graviers interglaciaires sous-jacents (si leur présence est confirmée) à l'ouest ou au SW du village de Rossens. La moitié sud de l'aquifère nécessite une prospection hydrogéologique par forage. Contribution à l'étude des eaux souterraines de la région de Fribourg Deuxième partie: Hydrogeologie de la région de la Tuffière 137 7 Conclusion La présente étude a contribué à préciser la structure de l'aquifère, la stratigraphie des terrains ainsi que les modalités d'alimentation, de stockage et de transfert des eaux.EUe a permis de proposer quelques scénarios de gestion de l'aquifère. En outre, l'étude physico-chimique et isotopique des eaux apporte des informations sur le comportement et la signification des traceurs naturels observés. Grâce à l'étude géologique et géophysique (VLF-R et géoélectrique), nous avons pu mettre en évidence l'extension des graviers aquifères et déterminer, dans une certaine mesure, la structure de la base de ceux-ci, parcourue de larges sillons de quelques mètres de profondeur. Au sein de ces sillons a lieu le transfert des eaux souterraines vers les zones d'exutoire naturel. En dessous des graviers de la Tuffière, des sédiments fins (d'origine glaciaire, glacio-lacustre et lacustre) remplissent une ancienne dépression en forme d'auge. Leur épaisseur maximale dépasse 60 m. Leur extension latérale peut être bien délimitée à l'aide des mesures VLF-R à cause de leur faible résistivité (30 - 60 fì-m) qui contraste avec celles des graviers de la Tuffière (500 - 1200 Q-m) et de la molasse burdigalienne (110 - 190 Q »m). Ces formations peu perméables jouent un rôle important de réservoir à faible perméabilité pour l'alimentation des graviers aquifères. Elles contiennent probablement, dans la partie sud du terrain étudié, des strates graveleuses saturées d'eau, dont il faudrait préciser l'importance par forage. Le cas échéant, le captage de ces eaux par puits filtrant permettrait d'augmenter les ressources en eau et d'améliorer la gestion des réserves. D'autre part, la région de la Tuffière a été un bon terrain de test de Ia méthode VLF- R multifréquence. Grâce à l'étude physico-chimique et isotopique des eaux nous avons pu mettre en évidence 3 types d'alimentation provenant d'une part du lac de la Gruyère et, d'autre part des infiltrations sur le bassin versant (infiltrations directement acquises à la nappe et infiltration retardées par l'encaissant peu perméable). Les traceurs suivants permettent de différencier ces composantes: Eaux du lac de la Gruyère: K20 (rei. faible), 918O (bas), SO4" (élevé) Infiltration locale "directe": K20, Ca++, NO3- et Ci", 318O (rei. élevés) Infiltration locale "retardée": Mg++ et Li+ (rei. élevés), Ca++/Mg++ (bas) L'étude hydrodynamique couplée à celle des traceurs physico-chimiques naturels a abouti à la détermination des vitesses de transfert entre le lac et les sources et à la quantification des volumes d'eau sortant du lac en fonction de sa cote. Pour une surface de bassin versant de 11.17 km2, on observe aux zones sourcières un débit moyen total de 15*230 1/min dont 6'790 I/min proviennent du lac de Ia Gruyère. Le bilan montre un excès d'infiltration de l'ordre de 3'000 1/min par rapport aux débits observés aux zones d'exutoire, tributaires des infiltrations efficaces (8'440 1/min). Ces "pertes" ont probablement lieu de manière diffuse dans le lit de la Sarine.qui longe l'aquifère sur une distance de 4.3 km. Contribution à l'étude des eaux souterraines de la région de Fribourg TROISIEME PARTIE LES EAUX SOUTERRAINES DE LA REGION SITUEE ENTRE LES PREALPES FRIBOURGEOISES ET LE LAC DE NEUCHATEL Troisième partie: Eaux souterraines de la région... 139 TROISIEME PARTIE Eaux souterraines de la région située entre les Préalpes fribourgeoises et le lac de Neuchâtel Résumé Cette partie traite des eaux souterraines froides (faible profondeur) de la région située entre les Préalpes fribourgeoises et le lac de Neuchâtel. Elle contient une description de leurs caractéristiques physico-chimiques et isotopiques relative à 19 paramètres. A partir de ces données, nous tentons de dégager des enseignements pratiques concernant le comportement, la signification et l'origine des traceurs naturels décrits. Les principaux traceurs naturels des formations étudiées sont les suivants: PLATEAU - Quaternaire: Ca++, (Mg++) et HCO3-. - Grès du Burdigalien: Mg++, Sr++, Ca++/Mg++. - Base du Burdigalien: Na+, F". - Molasse de l'Aquitanien: Li+, Na+, SO4". - Molasse du Chattien: Li+, Na+, SO4", Cl", F". PREALPES - Flyschs: Faibles minéralisations (peu d'informations). - Karst du MaIm: (Ca++/Mg++), faibles minéralisations - Lias et Dogger (karst): Ca++/Mg++ - Trias et Lias marneux: Ca++, Mg++, Sr++, SO4". Les concentrations de ces traceurs naturels des milieux sont conditionnées par divers facteurs d'influence, entre autres, les échanges ioniques, les effets des activités humaines, les échanges entre aquifères et avec les eaux de surface et le temps de séjour souterrain de l'eau. Au sein des eaux tributaires de certains systèmes, on observe qu'il y a eu ses échanges ioniques suivants modifiant leur faciès: - Na+ au détriment de Ca++ et Mg++ à la base de la molasse burdigalienne, et dans les molasses aquitanienne et chattienne. - Mg++ au détriment de Ca++ dans la molasse du Burdigalien et dans certains aquifères du Quaternaire. - Na+ et H30+ au détriment de K+, répandu sous forme d'engrais sur les champs. Les activités anthropiques ont, par places, une influence non négligeable sur la qualité physico-chimique des eaux souterraines. On observe les trois types principaux d'influence: - Agriculture: apports directs de K+, Ca++, NO3', SO4", Cl" et indirects de Na+ et Ca++. - Salage des routes: Na+, Cl" et parfois Ca++. - Pollutions ponctuelles par les eaux usées: Na+, K+, NO3- et Cl". Contribution à l'étude des eaux souterraines de la région de Fribourg 140 Troisième partie: Eaux souterraines de la région... Les infiltrations d'eaux de surface sé font principalement sentir sur les paramètres suivants: Température, pH, 18O, 3H et autres traceurs particuliers, dilution de la minéralisation. Le temps de séjour souterrain peut être défini dans beaucoup cas à l'aide du Tritium. On peut en déduire des informations sur le fonctionnement des systèmes, telles que la présence de deux ou plusieurs composantes d'eau, l'origine de l'eau et la vitesse globale des écoulements. Les paramètres Mg++, Li+, le rapport Ca++/Mg++ et, dans une moindre mesure, SÌO2 et F", sont bien corrélés avec le temps de séjour souterrain moyen de l'eau, déterminé sur la base des mesures de Tritium. Une possibilité s'offre concernant la détermination d'un temps de séjour moyen souterrain de l'eau au moyen de l'étude des variations saisonnières du 318O. L'évolution temporelle des paramètres physico-chimiques se trouve très amortie à l'exutoire des systèmes à porosité d'interstices (Quaternaire, frange épidermique de la molasse) et du karst peu perméable. Souvent, seuls, les paramètres 18O, ^H, conductibilité électrique et température, mesurés régulièrement en fonction de la variabilité du débit, apportent des informations interprétables et pratiques dans les domaines suivants: - temps de séjour souterrain de l'eau, - présence et quantification des proportions de plusieurs composantes d'eau, - présence de by-pass, etc. - relations avec les eaux de surface, - relations entre aquifères, - temps de transit des ondes d'infiltration, 1 Introduction L'étude se base principalement sur les informations résultant de deux campagnes d'échantillonnage de 170 points d'eau, répartis sur Ie terrain d'investigation (tabi. 8 et 9). Elle englobe aussi les résultats concernant le suivi de l'évolution temporelle des paramètres physico-chimiques et isotopiques relatifs à 9 sources choisies. Elle intègre enfin les informations les plus importantes recueillies au cours de l'étude des eaux de la molasse (Partie 1) et de celles de l'aquifère de la Tuffière (Partie 2). Les objectifs de cette étude sont de deux ordres. Il s'agit d'une part de décrire la qualité physico-chimique et isotopique des eaux de la région étudiée et,d'autre part, de dégager des enseignements sur le fonctionnement des systèmes hydrogéologiques à partir des données physico-chimiques et isotopiques de l'eau. 1.1 Principales caractéristiques des eaux La plupart des eaux rencontrées ont un faciès bicarbonaté calcique avec parfois des teneurs plus ou moins importantes en Mg++, Na+, N03", SO4" ou Cl". Ces eaux sont de loin les plus répandues sur le Plateau suisse, dans les Préalpes ainsi que dans le Jura. Leur minéralisation se situe entre 200 et plus de 800 u.S/cm. A l'exutoire, elles sont presque toutes sursaturées vis-à-vis de la calcite (§ 2.3). Plus rarement, on trouve des eaux bicarbonatées sodiques, bicarbonatées magnésiennes ou sulfatées calciques et magnésiennes. Contribution à l'étude des eaux souterraines de la région de Fribourg Troisième partie: Eaux souterraines de la région... 141 1.2 Bibliographie Pour l'interprétation des mesures et observations, nous nous sommes inspirés principalement des références suivantes: - Eaux minérales, thermales et profondes de Suisse: HÖGL (1980), LEMKE et al. (1968), SCHMASSMANN et al. (1984), SCHMASSMANN (1987), VUATAZ (1982), WEXSTEEN (1988) - Etudes hydrogéochimiques générales: BAKALOWICZ (1979), BURGER (1959, 1975), LAVANCHY (1991), LAVANCHY et al. (1987, 1988), MATTOUSEK (1985), MISEREZ (1973), MUDRY (1987), MUDRY et al (1979), MÜLLER et al. (1982, 1983), MÜLLER et ZOETL (1980), OBERMANN ¢1982), PARRIAUX (1981), PASQUIER (1987), PETCH (1970), WILDBERGER (1979, 1981) - Etudes concernant les eaux souterraines de la région située entre les Préalpes fribourgeoises et le lac de Neuchâtel: KUNZ (1985), LATELTIN et THIERRIN (1984, 1984), MÜLLER (1975, 1976, 1981), MÜLLER et PLANCHEREL (1982), PARRIAUX (1978, 1981), SCHNEUWLY (1988), SCHOUWEY (1989, 1990), THIERRIN (1989), THIERRIN et SCHOTTERER (1990), ZWAHLEN et al (1990). - Ouvrages sur les techniques isotopiques 18O et 3H: BALDERER (1984, 1986), BLAVOUX (1978), FRITZ et FONTES (1980 et 1986), MOSER (1989), MOSER et RAUERT (1980) - Etudes isotopiques régionales: BALDERER et al.(1987), BLAVOUX (1978), BLAVOUX et al. (1979), BURGER (1972), BURGER et al. (1971), SCHOTTERER et MÜLLER (1982, 1986), SCHOTTERER et al. (1987), SCHMASSMANN et al. (1984), SIEGENTHALER (1972), SIEGENTHALER et SCHOTTERER (1977), SIEGENTHALER et OESCHGER (1980) SIEGENTHALER et al. (1983, 1984), WILDBERGER (1981), ZWAHLEN et al (1990) - Etudes concernant les influences anthropogènes sur la qualité de l'eau: BOSSET (1980), FURRER et STAUFFER (1986), MOINET (1990), OBERMANN (1982), STAUFFER et FURRER (1984) et de nombreuses' autres références. - Thermodynamique et équilibres chimiques: BURGER (1972), DREVER (1982), MICHARD (1989), MISEREZ (1973), SCHÖLLER (1962, 1969, 1980), SONTHEIMER et al. (1980), STUMM (1970), STUMM et MORGAN (1981), STUYFZAND (1989), TILLMANNS (1932), TROMBE (1952), ... 1.3 Réseaux d'échantillonnage Outre les études spécifiques des eaux de la molasse et de la région de la Tuffière, deux réseaux d'échantillonnage ont permis d'acquérir des données sur la variabilité spatiale et l'évolution temporelle de la qualité des eaux souterraines de la région. Un réseau large de 170 points d'eau répartis entre les Préalpes fribourgeoises et le lac de Neuchâtel, échantillonné en automne 1985 et en automne 1987. Les points d'eau de ce réseau correspondent aux milieux suivants: - Sédiments quaternaires du Plateau (116 points) et des Préalpes (8 points) - Karst et flysch des Préalpes (8 points) - Zone pelliculaire de la molasse du Plateau (20 points) - Zone profonde de la molasse du Plateau (11 points) - Eaux de surfaces (rivières et lacs, 15 points) Un réseau de 15 points d'eau choisis, suivis à un rythme bimensuel ou mensuel sur plus d'un cycle et demi a permis d'obtenir des informations sur l'évolution temporelle des caractéristiques physico-chimiques et isotopiques des eaux de la région (cf. § 5). Contribution à l'étude des eaux souterraines de la région de Fribourg 142 Troisième partie: Eaux souterraines de la région... 1.4 Zonation géologique et hydrogéochimique du terrain. Concernant la géologie des terrains, nous nous référons à l'introduction générale, § 5. Du SE vers le NW, le terrain se subdivise en 4 zones géologiques.(fig. 0.2 et 0.11) - Au SE, les Préalpes s.S., constituées par les nappes des Préalpes Médianes plastiques (calcaires et marnes) et rigides (principalement des calcaires), ainsi que de nombreuses nappes et écailles de flyschs gréseux et calcaires. - L'Ultra-Helvétique (calcaire) et les flyschs nord-helvétiques forment une frange de 1 à 5 km que chevauchent les nappes des Préalpes médianes1. - Cette zone d'Ultra-helvétique et de flyschs chevauche à son tour la molasse subalpine qui forme une frange large de 2 à 4 km en moyenne. Au NW du front de la molasse subalpine, la molasse du Plateau s'étend jusqu'aux contreforts du Jura. On y distingue la molasse gréseuse du Burdigalicn (qui constitue tous les reliefs du Plateau en dessus de 550 m) et la molasse marneuse de l'Aquitanien, présente principalement dans la dépression de la Broyé. La présente étude a permis de distinguer 4 zones hydrogéochimiques dont le découpage suit presque celui de la géologie: Zone hydrogéochimique 1: Les Préalpes s.l.: Elle inclut toute la partie sud du terrain, jusqu'à Ia limite NW du flysch nord-helvétique. Dans les formations calcai- res, on trouve des eaux de type Ca-HCQ^ (K20 entre 150 et 450 nS/cm) mais aussi toutes les eaux de transition jusqu'au type Ca-(Mg)-SOa-HCO? (K20 > l'OOO u.5/cm), issu des formations marneuses et évaporitiques. Les flyschs fournissent habitu- ellement une eau peu minéralisée (K20 entre 150 et 350 u,S/cm), de type Ca-HCO^. Zone hydrogéochimique 2: Région des collines qui inclut tous les terrains des molasses du Plateau et subalpine dont l'altitude dépasse 800 m. La ligne Romont- Schwarzenburg limite approximativement cette zone au N et NW. Dans cette région, les eaux, de types Ca-HCO^ et Ca-(MgI-HCO^- présentent une minéralisation relative moyenne (K20 entre 350 et 550 M-S/cm), peu influencée par les activités humaines. Zone hydrogéochimique 3: Le Plateau: Cette zone comprend tous les terrains du Plateau, au NW de la ligne Romont-Schwarzenburg, dont les grès du Burdigalien constituent le substratum. Elle inclut aussi les régions de basse altitude (< 800 m) situés en terrains molassiques au SE de la ligne Romont-Schwarzenburg (vallée de la Sarine en particulier). Zone hydrogéochimique 4: Région du lac de Neuchâtel et des plaines de la Broyc et du Grand-Marais, caractérisées par leur substratum marneux de l'Aquitanien et de la base du Burdigalien. Dans les zones 3 et 4 prévalent des eaux de type Ca-(MgVHCO^-(CH-(NOTi à haute minéralisation relative (K20 entre 500 et 800 U-S/cm), souvent très influencées par les activités humaines, particulièrement l'agriculture intensive. La zone 4 se diffé- rencie de la zone 3 par une minéralisation moyenne des eaux légèrement supéri- eure, mais surtout par des teneurs plus élevées en Li+, F" et parfois SO4", traceurs des formations de la molasse d'eau douce inférieure et de la base du Burdigalien. 1Au cours de ce texte, nous incluons sous le terme de Préalpes (s.l.) les nappes des Préalpes médianes, les nappes supérieures, l'Ultra-helvétique du front des Préalpes et les flyschs nord-helvétiques (voir à ce sujet MÜLLER & PLANCHEREL, 1982 et BASABE, 1991). Bien que les eaux de tous ces terrains montrent de grandes différences de caractéristiques, nous les rassemblons en une seule zone hydrogéochimique (zone 1). Nous n'avons en effet observé, dans cette région, que quelques points d'eau importants. Contribution à l'étude des eaux souterraines de la région de Fribourg Troisième partie: Eaux souterraines de la région... 143 1.5 Caractéristiques hydrodynamiques La figure 3.1 illustre révolution depuis 1987 à 1990 du débit de 3 sources représentatives des réactions dynamiques des aquifères situés dans les divers milieux étudiés. La source Stolzenmiihle à Schwarzenburg constitue l'exutoire naturel de la terrasse graveleuse de Schwarzenburg (FRASSON, 1947). Il s'agit d'un aquifère important situé à 800 m d'altitude, protégé par une couche superficielle de sédiments fins. La zone non saturée atteint une épaisseur de 10 à 25 m. Le temps de séjour souterrain moyen des eaux (Tritium) est de l'ordre de 10 ans (cf. § 6.5). La source des Haches à Payerne provient d'un petit aquifère peu profond d'alluvions, plaqués sur la moraine de fond wiirmienne (altitude: 600 m, temps de séjour souterrain moyen des eaux de l'ordre de 8.5 ans). La source de la Venoge est l'une des principale résurgences karstiques du pied du Jura vaudois1. Elle sourd des calcaires du MaIm (altitude du bassin versant comprise entre 700 et plus de 1400 m, temps de séjour souterrain des eaux inférieur à 2 ans). Faute d'enregistrement des fluctuations débimétriques d'une source karstique des Préalpes durant toute la période d'observation, nous proposons cette chronique à titre de comparaison. En hiver et au printemps, ses débits dépendent de la fusion du manteau neigeux recouvrant le bassin versant. Les pluies hebdomadaires à Payeme sont représentées à titre indicatif. Par cette figure, nous voulons montrer deux aspects de la réaction dynamique des systèmes étudiés, d'une part le style de comportement des diverses sources et d'autre part l'évolution interannucllc des débits. Par rapport à la résurgence karstique représentée, les débits aux sources du Quaternaire paraissent très amortis. La source Stolzenmiihle est représentative de beaucoup de sources issues d'aquifères de moyenne profondeur du Quaternaire, de la frange épidermique de la molasse et même du karst. Mis à part les réactions relativement rapides aux épisodes de recharge exceptionnelle, les débits de cette source réagissent très mollement et avec un retard de plus de 30 jours aux impulsions d'entrée. Les variations de débit ne se répercutent presque pas sur la qualité physico-chimique de l'eau. La source de Payerne est représentative d'aquifères dans lesquels un régime de crues momentanées (décalage de la réponse impulsionnelle de l'ordre de cinq jours) surimpose un régime plus lent, du type décrit ci-dessus. Les fortes variations de débit se répercutent sur la qualité physico-chimique de l'eau. Le régime de la source de la Venoge est représentatif de milieux à transferts rapides. Cette source constitue un cas extrême car il s'agit d'un exutoire de débordement qui tarit après environ 100 jours d'absence d'alimentation. Sur la région d'étude, l'année 1989 est remarquable par son déficit pluviométrique de 37% par rapport aux années 1987 et 1988. Il en résulte un déficit d'écoulement de l'ordre de 83% à la source de la Venoge, 25% à la source de Payerne et 18% à celle de Schwarzenburg. Ces valeurs rendent compte de l'inertie des systèmes qui se traduit par leur régime. Elles mettent aussi en évidence qu'un faible déficit pluviométrique peut, à terme, provoquer une grande diminution des débits, le renouvellement des ressources en milieu peu perméable ayant lieu, comme leur drainage, avec une certaine inertie. 1 Cette source fait partie du réseau étendu de mesure du projet "ISHYDRO". Elle est étudiée et décrite dans LAVANCHY (1991). Contribution à l'étude des eaux souterraines de la région de Fribourg 144 Troisième partie: Eaux souterraines de la région... O. -| o. - 20. - JO. - *0 - ». - M - ?D - J0 _ 90. - CO. - MQ - eoo - ¦= 700. - ^ 600 - lo Hi 500 - Û too - 100. - JOO. - PLUIES HEBDOMADAIRES A PAYERNE SOURCE HACHES A PAYERNE 1988 FMAMlIASOND 1989 . PTT . IFMAM 1990 600 - ¢00. - r MOO - M MIX) -1200. -noo. - Debil ( ooo - 900. J Fig. 3.1: Evolution des débits aux sources de Schwarzenburg, de Payerne et de la Venoge, de 1987 à 1989. Contribution à l'étude des eaux souterraines de la région de Fribourg Troisième partie: Eaux souterraines de la région... 145 2. Description des observations physico-chimiques L'étude a porté sur les paramètres suivants: - Paramètres physiques: - Température (Temp.) - La conductibilité électrique corrigée à 200C (K20) - Paramètres chimiques: - Dureté totale (Dto), Titre al cali mètri que complet (TAC), pH - Li+, Na+, K+, Mg++, Ca++, Sr++, Ba++ - NO3-, SO4", F", CI- -SiO2 Toutes les analyses chimiques ont été effectuées sur des eaux non filtrées (cf. Annexe C). Durant ce chapitre, nous proposons une présentation générale des traceurs naturels étudiés ainsi que la description des teneurs observées sur le terrain durant les étiages d'automne 1985 et 1987. La fig. 3.2 met en évidence la répartition de chaque élément mesuré, en fonction de la nature géologique de l'aquifère et du type d'occupation du sol. 2.1 La température Concernant la température des eaux souterraines, nous n'avons pris en compte que les séries chronologiques de mesure et faisons référence au § 5 pour l'étude de ce paramètre. 2.2 La conductibilité électrique, la dureté totale et le TAC La répartition des valeurs de conductibilité électrique des eaux souterraines est aussi représentative de la Dto, du TAC (et du Ca+ + , cf. § 2.5) car ces paramètres montrent une bonne corrélation mutuelle (cf.§ 3.1). C'est pourquoi, ils sont traités ensemble. 2.2.1 description générale des paramètres a) La conductibilité électrique Comme le montre la figure 3.3, la conductibilité électrique de l'eau (K20) est le reflet de la totalité des ions dissous. Dans une large plage de concentrations (<10'000 u. S/cm), chaque sel dissous génère une conductibilité propre de Ia solution, proportionnelle à sa concentration. Dans les eaux de type Ca-HCO^ et Ca-(MgVHCO^ de la région d'étude, nous avons déduit empiriquement la relation suivante (fig. 3.4): Mt = 0.025 • K20 - 0.2 avec Mt = minéralisation totale en [meq/1] K 20 = conductibilité électrique [u.S/cm] corrigée à 200C Contribution à l'étude des eaux souterraines de la région de Fribourg 146 Troisième partie: Eaux souterraines de la région... ¦ 1 ¦ S m-mm ........ ... - I ------ -Dto.line/»CflC031- 2(M) M) 4.» -Mg++ [mg/ll — 20 25 30 35 5 ---. 4 ----, . .-----, . ,, "......""¦ — "¦ 2 _ 1 ..... Sr++ [jig/1] o 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 0 Fig 3.2 (1/2) ¦Ba+TÏng/i]- 25 50 75 LOO 125 150 175 200 Contribution à l'étude des eaux souterraines de la région de Fribourg Troisième partie: Eaux souterraines de la région... 147 -TAC[mg/lCaC03] — SOJ lmg/1)— 50 150 250 350 20 30 40 50 60 70 -N03 [mß/l]----- P [Ug/1] - 10 20 30 40 50 60 70 20 40 60 eo too 120 140 --------------CI- Img'll - Sf02[mg/]] — 20 25 Fig 3.2 (2/2) Fig. 3.2: Région située entre les Préalpes fribourgeoises et le lac de Neuchâtel: Répartition des valeurs relatives à 15 paramètres physico- chimiques mesurés et au rapport Ca++/Mg++, en fonction de la nature géologique de l'aquifère et du type d'occupation du sol. Les classes de points d'eau représentées par des chiffres en ordonnée sont définies de la manière suivants: - 5: Eaux du Quaternaire dans un environnement de molasse subalpine. - 4: Eaux du Quaternaire dans un environnement de molasse aquitaniennne. - 3: Eaux du Quaternaire dans un environnement de molasse burdigalienne et helvétienne. - 2: Eaux d'aquifères pelliculaires de la molasse (Burdigalienne, principalement). - 1: Eaux de sources des Préalpes. Chaque classe est subdivisée en sous classes en fonction de l'utilisation du sol pour l'agriculture intensive et les zones construites dans les bassins- versant des sources: - Sous classe inférieure: surface estimée plus petite que 25%. - Sous classe moyenne: surface estimée de 25 à 75%. - Sous classe supérieure: surface estimée plus grande que 75%. Contribution à l'étude des eaux souterraines de la région de Fribourg 148 Troisième partie: Eaux souterraines de la région... La conductibilité électrique dépend de la température de la solution, c'est pourquoi, on l'exprime habituellement en fonction d'une température de référence de 18, 20 ou 25°C. La loi utilisée le plus fréquemment pour corriger ces valeurs de conductibilités à une température de référence de 200C est îa suivante: 1 K20 - KTmes* J _ 0022 , (20 _ Tmes) avec Tmes = Température de mesure [0C] K 20 = conductibilité électrique [p-S/cm] corrigée à 2O0C Toutes les mesures de conductibilité exprimées dans cette étude se réfèrent à une température de 200C. Variation de la conductivity à 2O0C en fonction de la nature des sels et de leur concentration 0,001 0,01 Normalité Fîg. 3.3 tirée de RODIER (1978): Relation entre la concentration de certains sels et la conductibilité électrique de leur solution aqueuse. Contribution à l'étude des eaux souterraines de la région de Fribourg Troisième partie: Eaux souterraines de la région... 149 b) La dureté totale La dureté totale (Dto) est l'expression en [mg/l de CaC03] de l'ensemble des sels de cations bivalents. Les sels de Ca++ et Mg++ constituent la presque totalité de la minéralisation des eaux de la région d'étude, à l'exception des eaux sulfatées des Préalpes, de celles des molasses marneuses (Partie 1) et d'eaux très contaminées, riches en Na+ et K+. Lorsque les cations bivalents autres que Ca++ et Mg++ sont présents à des concentrations inférieures à 0.02 m val/1, ils contribuent à la dureté totale pour une proportion négligeable, inférieure à 0.5% Ainsi, dans ces conditions, on a la relation suivante (cf. § 3.1): Dto [mg/l CaC03] = 2.497 • Ca++ [mg/l] + 4.117 • Mg++ [mg/l] c) Le titre alcalimétrique complet Le titre alcalimétrique complet (TAC) est l'expression de la teneur totale de l'eau en hydroxydes, carbonates et bicarbonates alcalins et alcalino-terreux. Entre les pH de 7.65 et 8.3, l'essentiel du TAC est constitué par les bicarbonates. La totalité des eaux étudiées ayant un pH compris dans cette fourchette, on peut admettre l'approximation suivante (MISEREZ, 1973): HCO3- [mg/l] = 1.22 • TAC [mg/l de CaC03] TILLMANNS in TROMBE (1952) propose une méthode graphique, souvent utilisée, qui permet de définir l'état de saturation d'une eau vis à vis des carbonates à partir des mesures de TAC et de pH. 2.2.2 Distribution géographique La fig. 3.6 représente la répartition statistique des conductibilités électriques dans les eaux souterraines investiguées. Le terrain a été subdivisé en quatre zones, en fonction du degré de minéralisation moyen des eaux souterraines et de la géologie (cf.§ 1.4, fig. 3.5). Les valeurs moyennes de ces paramètres (et de Ca++) dans chaque zone sont les suivantes: Zone hydro-géochimique K20 [»iS/cm] Dto [mg/l CaC03] TAC [mg/l CaC03] Ca++ [mg/l] 1 <450 <270 <200 <85 2 350-550 200-330 190-300 60-100 3 et 4 500-800 300-480 280-380 60-160 Dans les zones 3 et 4 (au NW de la ligne Romont-Schwarzenburg), on retrouve très peu de points d'eau à faible minéralisation relative (K20 < 450 u:S/cm). Il s'agit essentiellement d'eaux liées à la molasse burdigalienne, provenant de réseaux d'écoulements profonds (cf. Partie 1, § 2) ou d'eaux issues d'aquifères presque entièrement recouverts de forêts ou de pâturages (forêt du Grand Belmont au SW du lac de Morat et région de Moos, à 6 km à l'ouest de Schwarzenburg). Les conductibilités supérieures à 650 u.S/cm se retrouvent toutes dans les zones hydrogéochimiques 3 et 4. Elles sont liées à des bassins versants au sein desquels une très intense activité agricole a lieu, ou à des endroits soumis à une atteinte particulière (eaux usées, par exemple). Contribution à l'étude des eaux souterraines de la région de Fribourg 150 Troisième partie: Eaux souterraines de la région... 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650 700 750 800 K20 [microS/cm] Fig. 3.4: Relation entre Ia conductibilité électrique et la somme des ions dissous pour 335 mesures faites en 170 points d'eau souterraine et de surface de la région située entre les Préalpes fribourgeoise et le lac de Neuchâtel. 2.2.3 Distribution en fonction de la géologie et de l'occupation du sol La fïg. 3.2 met en évidence la forte dépendance des paramètres par rapport au type d'occupation du sol: Les conductibilités supérieures à 620 u.S/cm correspondent toutes à des points d'eau dont les bassins versants supposés sont occupés à plus de 75% par des terres agricoles ou des régions construites. Une eau relativement moins minéralisée provient de bassins versants recouverts à plus de 75% par des prés, des pâturages ou des forêts. Pour une altitude des sources comprise entre 550 et 750 m et en fonction du type de couverture végétale de leur bassins versants, on observe les valeurs de minéralisation suivantes: Sources (cf. tab. 8) CaC03] Couverture du b.v. K20 [u.S/cm] Dto [mg/1 CaC03] TAC [mg/1 03,31,32,33... forêt feuillus 380 - 480 225 - 290 220 - 260 08,10,11... pâturages, forêts 450 - 550 270 - 315 240 - 270 01,05,22,29... forêts conifères 480 - 600 280 - 340 260 - 325 34,38,51,52... Terres agricoles 550 - 800 340 - 400 300 - 340 On ne remarque pas de différence significative entre la minéralisation moyenne des eaux provenant des aquifères épidermiques de la molasse burdigalienne ou des aquifères du Quaternaire. Dans la molasse subalpine et les flyschs subalpins, les minéralisations sont relativement faibles, à l'exception des eaux de la plaine de Marsens, plus proches, dans leurs caractéristiques des eaux du Plateau (attribution de cette région à Ia zone hydrochimique 3 car ce terrain fait l'objet de cultures agricoles intensives. Contribution à l'étude des eaux souterraines de la région de Fribourg Troisième partie: Eaux souterraines de la région... 151 Les eaux karstiques des Préalpes se différencient très nettement de celles du Plateau par leur minéralisation basses. Elles s'individualisent mieux par le TAC que par les autres paramètres car ces eaux contiennent souvent des concentrations relativement élevées (> 20 mg/1) en SO4". K20 200 195 190 185 180 >* 175 •S 170 165 160 155 150 145 Schwarzen Î7&0 - IT 673£ S74j0 67*6 67&0 57BJi ----- Limite géologique * K20 > 650 u;S/cm ¦ 550* 175 O *o G I 170 U. O O U 165 i 160 155 150 145 Aquitanien 178.5- \ V 17B.0-177.5- ft*t(La Tuffière Vc 0 -^"^V B 177.0 ¦ V *^s-\ 176.5 - * *^L.a t * ^*** *v 176.0 - N T-------1-------1-------r~ i r 571.0 573.5 574.0 574.5 575.0 ------ Limite géologique * pH > 8.0 ¦ 7.75 < pH < 8.0 a 7.50 < pH < 7.75 • 7.25 250 mg/1 CaC03, toujours inférieur à 7.5 et souvent compris entre 7.0 et 7.25. - Aux points où l'eau dispose d'un certain temps pour perdre une part de CO2 entre sa sortie de l'aquifère et le Heu de prélèvement, les pH sont de l'ordre de 7.5 à 8. Il s'agit le plus souvent de sources à très faible débit (< 50 1/min), de drains de rassemblement de plusieurs captages, d'endroits où l'eau a un écoulement turbu- lent avant le lieu de mesure etc. L'endroit le plus évocateur de ce phénomène est la partie occidentale de l'aquifère de la Tuffière (cf. fig. 2.18). L'eau de la plupart des piézomètres et puits à l'amont de la zone sourcière du Grabe (G) a un pH inférieur à 7.25. Les indices de saturation varient entre 0.05 et 0.25. Aux sources du Grabe, par contre, les pH observés de cette même eau et les indices de saturation y relatifs s'élèvent à des valeurs comprises entre 7.35 et 7.6, respectivement 0.35 et 0.55. Avant le point de mesure, l'eau a subi un dégazage de CO2 partiel de deux manières, à cause de l'écoulement turbulent dans le captage et à cause d'un transit partiel (2 à 50 m suivant les cas) à l'intérieur d'éboulis, juste avant l'ouvrage de captage. - Dans les sources karstiques étudiées, le pH d'étiage est le plus souvent compris entre 7.5 et 7.9, à cause des faibles minéralisations (TAC < 200 mg/1 CaCOß) et du type d'écoulements souterrain. 2.4 Les cations alcalins Li+, Na+ et K+ Li + , Na+ et K+ proviennent habituellement issus des minéraux argileux et des felds- paths. On trouve des concentrations élevées en Li+ dans les eaux issues de roches magmatiques. Le Na+ provient, en outre, dans certains cas, de roches évaporitiques (Na Cl). Na+ et K+ peuvent provenir des influences anthropogènes suivantes: - salaison des routes (surtout Na+) - engrais (surtout K+) - eaux usées et déchets (Na+ et K+) A partir du squelette minéral* la mise en solution de ces éléments a lieu par dissolution ou transformation des minéraux et par échange ionique (cf. § 3.2 ). 2.4.1. Le Li+ Mises à part quelques exceptions, les teneurs en Li+ (fig. 3.10) supérieures à 50 u. g/1 se trouvent dans Ia zone hydrogéochimique 4 (plaines du NW), liées principalement aux aquifères épidermiques de la base du Burdigalien et de ï'Aquitanicn où elles peuvent atteindre 1 mg/1, ainsi qu'à quelques aquifères du Contribution à l'étude des eaux souterraines de la région de Fribourg Troisième partie: Eaux souterraines de la région... 157 Quaternaire. Dans la région de la plaine de la Broyé, les eaux contenant moins que 50 M-g/1 de Li+ sont principalement tributaires de systèmes d'écoulement locaux "perchés" ou peu alimentés par l'encaissant molassique. Dans la zone hydrogéochi- mique 3 (Plateau)» les teneurs moyennes sont voisines de 25 u.g/1. Les valeurs supé- rieures à 50 u.g/1 proviennent, probablement, comme à la Tuffière (cf. Partie 2, § 5.3), du drainage partiel de formations peu perméables à dominance de limons et d'argiles. Il s'agit des sources de Marly (Y), Bois de Bouleyres (B), St Sylvester (S) et Hofmatt (H, cf. fig. 3.10). Les eaux de la molasse burdigalienne à Matran (M) conti- ennent des teneurs comprises entre 35 et 80 fig/1, augmentant progressivement vers le bas des séries du Burdigalien. Une valeur isolée, relativement élevée a été observée dans les eaux du flysch du Gurnigel dans la région du Cousimbert. La distribution de Li+ ne montre pas d'influence d'origine anthropique (fig. 3.2). 67OS 674Ü 67« STiO 67S& *---------*----<***" ° Li+ < 25 Jlg/1 550 555 560 565 570 575 580 585 590 595 Coordonnée X Fig. 3.10: Région située entre les Préalpes fribourgeoises et le lac de Neuchâtel: Répartition géographique des valeurs de Li+ dans les eaux souterraines et de surface (entourées d'un cercle). (B) = Bois de Bouleires (H) = région de la Hofmatt, (M) = Matran, (Y) = Marly Contribution à l'étude des eaux souterraines de la région de Fribourg 158 Troisième partie: Eaux souterraines de la région... 2.4.2 Le Na+ Le Na+ (fig. 3.11) suit bien la distribution de Ia conductibilité électrique, avec des valeurs faibles (<4 mg/1) dans la zone hydrogéochimique 1, faibles à moyennes (2-9 mg/1) dans la zone 2 et moyennes à élevées (4-20 mg/1) dans les zones 3 et 4. Les cours d'eau contiennent des teneurs supérieures à celles des eaux souterraines, Les teneurs en Na+ (fig. 3.2) montrent une augmentation systématique dans les aquifères soumis aux influence anthropogènes. Na 200 195 190 185 180 >* 175 o a .§ 170 h* § U 1651 160 155 150 145 Aquitanien 178.5" 178.0 - 177.5- 177.0- 176.5- 176.0 - 1 I S73.0 573.5 57*,0 574.5 57S.0 ©" - Limite géologique * Na+ > 12 mg/1 ¦ 9 20 mg/1), dans les mêmes aquifères qui contiennent des teneurs supérieures à 50 u.g/1 de Li++: Marly (Y), St Sylvester (S), Bois de Bouleyrcs (B), La Tuffière et Matran (M). Bien qu'il y ait présence de nombreuses formations dolomitiques dans les Préalpes, les teneurs des eaux souterraines issues de cette région sont relativement faibles (<5 mg/1, cf. fig. 0.14), à l'exception de points d'eau particuliers provenant du Dogger inférieur et du Lias, (5-10 mg/I), décrits dans MÜLLER et PLANCHEREL (1982). Dans les eaux d'aquifères épidermiques de la molasse, on trouve des concentrations moyennes de 13 à 31 mg/1, quelque peu supérieures à celles du Quaternaire (7 - 25 mg/1). On ne remarque aucune influence de l'ion Mg++ liée à des zones construites ou à l'utilisation du sol à des fins agricoles (fig. 3.2). 2.5.2 Le Ca+ + L'ion Ca++ est issu essentiellement de la dissolution des minéraux carbonates (calcite, dolomite ,..) et du gypse. La mise en solution de cet élément peut aussi avoir lieu, comme celle du Mg++ , à partir des minéraux silicates suivants: Feldspaths, amphiboles, pyroxenes, micas et minéraux argileux. Sur le terrain d'étude, cet élément est bien corrélé avec les paramètres de la minéralisation totale (fig. 3.14). Sa distribution géochimique est très analogue à celles de la conductibilité électrique et de la dureté totale (cf. § 2.2). Le rapport Ca++/Mg++ donne des informations intéressantes sur Ie temps de séjour souterrain de l'eau (cf. § 5.5). Contribution à l'étude des eaux souterraines de ta région de Fribourg Troisième partie: Eaux souterraines de la région... 161 Mg+ + 550 555 560 565 570 575 580 585 590 595 Coordonnée X Fig. 3.13: Région située entre les Préalpes fri bourgeoise s et le lac de Neuchâtel: Répartition géographique des valeurs de Mg++ dans les eaux souterraines et de surface (entourées d'un cercle). (B) = Bois de Bouleires (M) = Matran, (S) = St Sylvester, (Y) = Marly. Contribution à l'étude des eaux souterraines de la région de Fribourg Troisième partie: Eaux souterraines de la région... Ca + + 200 195 190 185 180 > 175 u c I 170 o O U 165 160 155 150 145 Schwarzen rg 176.5- 176.0" T I I 1 I T 57J.0 573.5 574.0 574.5 575.0 ------ Limite géologique * Ca++ > 120 mg/l ¦ 100K^ 177.6 ¦ I77J0 - K^^^L 17W- U fTftD - • ^ I I I I 573L6 6740 674.5 67Si) 576J> géologique ¥ Sr++ > 700 u,g/l ¦ 550 < Sr++ < 700 * 400 < Sr++< 550 • 250 < Sr++ < 400 ° Sr++ < 250 u.g/1 -------------------1------------------------1------------------------1------------------------1------------------------[— 550 555 560 565 570 575 Coordonnée X 580 585 590 595 Fig. 3.15: Région située entre les Préalpes fribourgeoises et le lac de Neuchâtel: Répartition géographique des valeurs de Sr++ dans les eaux souterraines et de surface (entourées d'un cercle). (H) = Hofmatt, (V) = Villarepos. Contribution à l'étude des eaux souterraines de ta région de Fribourg 164 Troisième partie: Eaux souterraines de la région... Ba + + 200 195 190 185 180 >* 175 O C C O O U 170 165- 160 155 150 145 673Ü 67*0 674.5 676J) 67&6 - Limite géologique * Ba++ > 160 jig/1 ¦ 120 < Ba++ < 160 * 80 < Ba++< 120 * 40 105 ]igf\ 85 35 mg/1 ¦ 25 < Cl" < 35 A 154"), d'une même roche (K20-Dto-Ca++-TAC) ou d'un même genre d'influence (C1"-NC>3~). - dépendance de lois thermodynamiques (Température-SiC>2) ou cinétiques (Temps de séjour souterrain - Mg++ - Ca++/Mg++ - Li+ - SÌO2). - concours de circonstances: Si par exemple, il y a une zonation des terrains en fonction de l'altitude, certains paramètres spécifiques seront bien corrélés, mais fortuitement, avec l'altitude. 3.1 Relations K20 ¦ Dto - Ca++ et K20 - TAC Pour les eaux dans lesquelles les sels de Ca++ et Mg++ constituent plus de 95 mval% de Ia minéralisation, on constate une excellente relation entre la conductibilité électrique et la dureté totale (fig. 3.22 a). Les points s'alignent sur une droite dont l'équation empirique est la suivante: Dto = K20 • 0.6 Par rapport à cette droite, plusieurs eaux ont une conductibilité électrique plus élevée que la dureté totale. Elles contiennent une part de sels de cations alcalins plus importante que 5 mval%. Plus rarement, certaines eaux ont une dureté totale relative trop élevée par rapport à la droite définie, 11 s'agit probablement de cas particuliers où des carbonates se trouvent sous forme colloïdale ou en fins cristaux dans l'eau. Ils ne contribuent pas à la conductibilité mais sont remis en solution lors de la mesure de la dureté. Si la concentration des cations bivalents autres que Ca++ et Mg++ est négligeable, la dureté totale devient l'expression de la somme suivante: Dto [mg/1 CaC03] = 2.497 • Ca++ [mg/1] + 4.117 • Mg++ [mg/1] De ce fait, dans ces mêmes eaux bicarbonatées calciques et magnésiennes, la relation entre K20 et Ca++ dépend de la concentration en Mg++ (fig.3.23). De même, la relation entre le titre alcalimétrique complet et la conductibilité électrique ou la dureté totale dépend de la somme des ions Cl", NO3" et SO4", principaux facteurs déterminant la dureté permanente (3.22,b). Contribution à l'étude des eaux souterraines de la région de Fribourg 176 Troisième partie: Eaux souterraines de ta région... K20/Ca + + * 0 0 ü U • # •" o< O O OO ft O OO* o S° * • * *o* * .* ** ** : * * * * * 0 2 g/1), de type Na- (Ca)-(Mg)-HC03, riches en CO2 (> 3 g/1) à pH compris entre 6.5 et 6.8 et dépourvues de H2S (Passuger et de Tarasp). Elles sont issues des schistes lustrés des Grisons et de la fenêtre de l'Engadine. Les eaux de l'Aquitanien et du Chattien (Partie 1) sont enrichies par la dissolution de sulfates mais des phénomènes d'échanges ioniques modifient leurs teneurs en Ca++, Mg++ et Sr++ (cf. § 3.2). O) + + CO 1200 %^^^ 1000 • •^^ 800 600 • • • • • 400 • 200 • 1 1____ Y = 346+ 7.6 X RA2 = 0.666 __________1______________1______________1______________ 0 20 40 60 80 S04- [mg/l] 100 120 Fig. 3.2S: Répartition des teneurs en S04" et Sr++ dans les eaux des Préalpes fribourgeoises. Contribution à l'étude des eaux souterraines de la région de Fribourg Troisième partie: Eaux souterraines de la région... 179 S04~/Sr++ 16 14 12- 10 6- 2 D) Ì + + V) •• ** * * * 0fii- • • ?o- SI02 [mg/I] —•—I i i i—i—»—I—i—î—i— y = - 29.475 + 6.9949x R = 0.63 150 0 • *' Si02[mg/I] 6 8 10 12 14 16 18 t----1—i----1 i i-----1-----1-----1—i-----r 6 8 10 12 14 16 18 Fig 3.27 (1/2) Contribution à l'étude des eaux souterraines de la région de Fribourg Troisième partie: Eaux souterraines de la région... 181 y = 48.120 *xA-1.0296 R = 0.60 10 ~ 9" Si02 [mg/l] 1—'—I—¦—I—r 12 14 16 18 y = 98.806 * xMJ.79544 R = 0.57 10 20 40 60 80 100 120 y = 38.572 + 0.39623X R = 0.63 120- ^-1 • îoo- O) • • * y 80- U. • * • *J^^ 60-40- • • 9(1- • Li+ [ug/l] -i—I—i—I—i—I—i— « 23.434 * xA-0.46580 R = 0.74 0 25 50 75 100 125 150 Fig 3.27 (2/2) 0 25 50 75 100 125 150 Fig. 3.27: Eaux souterraines de la région située entre les Préalpes fribourgeoises et le lac de Neuchâtel: Relations entre les concentrations des paramètres Li+, Mg++, F-et SÌO2. Le Mg++ entre souvent en solution au détriment du Ca+ + , par échange ionique, probablement sur des argiles. Le Li+ provient essentiellement de minéraux argileux ou de minéraux à faible solubilité. Sa mise en solution a probablement aussi lieu par échange ionique (cf. § 4.2). La silice entre en solution suite à l'altération des minéraux argileux et des feldspaths. Ces phénomènes d'échange ionique et de mise en solution à partir de minéraux peu solubles ont lieu à des vitesses bien inférieures à celles de la dissolution des carbonates, par exemple. De ce fait, les concentration mesurées de chaque élément peuvent apporter des renseignements sur le temps de séjour souterrain de l'eau. Contribution à l'étude des eaux souterraines de la région de Fribourg 182 Troisième partie: Eaux souterraines de la région... 3.5 Relation Li+ - SO4" et Li+ - F- Dans les eaux du Plateau, Li+ et SO4"* apparaissent bien corrélés , particulièrement parce qu'ils sont simultanément de bons traceurs hydrochimiques des molasses marneuses de l'Aquitanien et du Chattien. On retrouve une relation entre ces paramètres pour deux raisons. D'une part, il y a probablement décharge diffuse des eaux de ces formations dans les aquifères du Quaternaire. D'autre part, ces terrains aquifères sont partiellement constitués par des matériaux provenant des molasses aquitanienne et chattienne, Dans les régions où la molasse d'eau douce ne constitue pas le substratum rocheux, cette relation entre Li+ et SO4" n'a pas lieu. La relation entre Li+et F-(coefficients de corrélation de 0.63 pour 118 observations sur les eaux du Quaternaire et des aquifères épidermiques de la molasse) apparaît principalement dans les eaux en relation avec la base de la molasse burdigalienne d'où proviennent des eaux relativement riches en F" (> 1 mg/1) et Li+ (> 75 tig/1). D'une manière générale, dans la région d'étude, les hautes concentrations simultanées de ces deux ions trouvent leur origine dans le drainage de milieux à faible perméabilité. 4 Facteurs d'influence de la qualité des eaux Les principaux facteurs d'influence suivants, conditionnent le contenu physico- chimique des eaux souterraines de la région d'étude: - La nature du squelette minéral dissous. - Les échanges entre l'eau et la roche. - L'influence des activités anthropogènes - Les variation temporelles de la qualité des entrées et l'hydrodynamique - L'enrichissement ou la dégradation des paramètres observés - Les interactions avec les eaux de surface. - Le temps de séjour souterrain. Il s'agit d'un nombre limité de facteurs qui souvent sont interactifs ou influencent une même eau. 4.1 Nature du squelette minéral dissous La dissolution des minéraux composant le squelette de l'aquifère, le sol et la zone non saturée sus-jacents est le principal facteur déterminant la qualité physico- chimique d'une eau souterraine. De nombreux types de roches génèrent des traceurs particuliers des eaux que nous nous proposons de présenter au cours de ce chapitre. Dans la région d'étude, on trouve les milieux suivants: - calcaires dans les Préalpes, - roches sulfatées (gypse, anhydrite) dans les niveaux évaporitiques des Préalpes et dans certains niveaux marneux des Préalpes et de la molasse d'eau douce du Plateau (Chattien-Aquitanien), - grès contenant presque toujours une composante carbonatée: molasse du Burdigalien, flyschs des Préalpes et flyschs nord-helvétiques, Contribution à l'étude des eaux souterraines de ta région de Fribourg Troisième partie: Eaux souterraines de la région... 183 - marnes: molasse d'eau douce du Plateau ainsi que de nombreux niveaux dans les Préalpes, en intercalation avec des calcaires, - Quaternaire du Plateau et des Préalpes: Terrains mixtes d'origine glaciaire et péri-glaciaire en partie importé et en partie "autochtone". La présence de carbonates de Ca et de Mg, principalement, dans tous les terrains de sub-surface du Plateau et des Préalpes (à l'exception des niveaux évaporitiques) induit dans les eaux souterraines une signature bicarbonatée calcique et, parfois, magnésienne. Les paramètres K20, Dto, Ca++ et TAC sont donc, en même temps, traceurs physico-chimiques de la presque totalité des terrains de la région d'étude. Ils présentent, de ce fait une bonne corrélation entre eux (cf. § 3.1). La dissolution de minéraux sulfatés présents dans certaines roches, confère aux eaux souterraines des caractéristiques particulières telles que minéralisation élevée et teneurs relativement hautes en SO4", Ca++, Mg++ et Sr++. La mise en solution des phases silicatées est extrêmement complexe. Elle joue un rôle secondaire dans l'acquisition de la minéralisation des eaux étudiées. D'elle, dépend, selon MISEREZ (1973) le contenu de certaines eaux en Na+ et K+. Plus qu'une dissolution, c'est une transformation des minéraux silicates qui a lieu au cours de laquelle Ia mise en solution de certains éléments et des échanges ioniques peuvent avoir lieu. La dissolution de la silice est le phénomène le plus évident de mise en solution des phases silicatées. Elle se caractérise par des limites de solubilités relativement basses (§ 2.10) et une cinétique lente (cf. § 5.5). 4.2 Les échanges ioniques entre l'eau et la roche. Au cours de la présente étude, nous avons observés les deux familles d'eau suivantes dont la minéralisation particulière provient d'échanges ioniques entre l'eau originelle et le squelette aquifère: - Ms-Ca-H£Q3, Ca-Mg-HCQl et Ca-Mp-HCOr -Na-HCÛa-et Na-(Ca)-HCQa-SO4 D'autres échanges ioniques concernant Li+ et K+ semblent aussi avoir lieu. L'échange a lieu par la mise en solution d'un ion peu "adhérant" au minéral et son remplacement par un autre ion, présent dans l'eau. Pour la Montmorillonite (smectite), par exemple, SCHEFFER et al. (1979) donnent la suite des éléments pour laquelle l'intensité de liaison avec le minéral croît: Na+ < H+ < K+ < NH4+ < Mg++ < Ca++ Dans cette suite, le Na+ passe facilement en phase aqueuse et Ie Ca++ se voit piégé dans le minéral au cours du processus d'échange ionique. Les faciès d'eau bicarbonatée magnésienne et calcique s'observent dans les grès de la molasse burdigalienne (cf. Partie 1) et dans certains aquifères limoneux du Quaternaire (cf. Partie 2, § 5.3). Ces eaux proviennent toutes de milieux confinés ou semi-confinés. Si l'on compare ces eaux à celles que l'on peut observer dans les zones d'infiltration d'où elles proviennent, on constate que l'augmentation des concentrations en Mg++ s'accompagne d'une diminution proportionnelle du Ca++. La minéralisation totale reste inchangée. Ces échanges ont certainement lieu sur des argiles non saturées en Na+. Nous ignorons presque tout du comment et du pourquoi. Contribution à l'étude des eaux souterraines de la région de Fribourg 184 Troisième partie: Eaux souterraines de la région... L'acquisition en Mg++ des eaux du Quaternaire semble se faire progressivement au cours du temps car on peut observer une corrélation des teneurs de cet élément avec le temps de séjour souterrain de l'eau (cf. § 5.5). Pour cette raison, nous pensons que la mise en solution de l'ion Mg++ a lieu principalement par échange ionique. Le faciès d'eau bicarbonatée sodique que l'on trouve à la base de la molasse burdigalienne et dans la molasse aquitanienne est présenté en première partie. Nous émettons l'hypothèse que l'échange ionique des cations alcalino-terreux a lieu sur des argiles saturées en Na+ par la percolation de l'eau de la mer burdigalienne à travers ces terrains. Li+: C'est dans ces mêmes eaux que les concentration en Li+ observées sont les plus élevées (0.2 - 1 mg/1). De ce fait, il semble que la mise en solution de cet élément est liée aux mêmes processus que celle du Na+. K + : On admet habituellement que le potassium répandu sur les champs sous forme d'engrais est rapidement piégé dans le sol soit sur la matière organique soit sur les argiles. Ce piégeage a probablement lieu par échange ionique et libération de ions tels que Na+ ou H30+. Dans les aquifères graveleux, tributaires de bassins versants, au sein desquels les sols sont légers (sables, limons, graviers), ce phénomène de neutralisation du K+ se fait moins sentir et les concentrations observées peuvent augmenter jusqu'à plus de 3 mg/1 alors que les moyennes régionales sont de l'ordre de 0.5 à 1.5 mg/1. 4.3 L'influence des activités anthropogènes Parmi les eaux étudiées, nombreuses sont celles dont le contenu physico-chimique ou isotopique a subi des modifications dues aux activités humaines. II s'agit des modifications suivantes: - Augmentation de Ia minéralisation totale et des teneurs en NO3", CI", Na+, Ca++ (et partiellement K+ et SO4") constatées dans les aquifères dont la surface des bassins versants est largement utilisée pour l'agriculture en terres ouvertes. Un exemple significatif de ce phénomène est donné en fig. 3.28. Il représente l'évolution temporelle des paramètres K20, Dto et NO3" des eaux d'un puits (500 1/min), implanté dans un aquifère graveleux (cône de déjection) peu profond (8 m) situé au plein milieu d'une zone d'agriculture intensive, dans Ia région de la Broyé. En 1971, durant les travaux de captage, la minéralisation de cette eau était déjà élevée, mais encore dans les normes en ce qui concerne les nitrates. A partir du début de l'exploitation, en 1972, ces valeurs ont progressivement augmenté,de manière synchrone, avec de grandes fluctuations saisonnières. - Présence des teneurs en Cl" supérieures à 5 mg/1 presque exclusivement causées par les apports des engrais, Ie salage des routes et d'autres types de pollution (cf. § 2.8). - Augmentation des teneurs en K+ dans les points d'eau contaminés par des foyers de pollution ponctuels du type égouts ou endroit d'entreposage d'engrais naturel (cf. § 2.4). - Les pluies acides: Les teneurs moyennes en N03" et SO4" des eaux de pluies (à Payerne) sont de l'ordre de 0 à 3, respectivement 0 à 4 mg/I (ZOBRIST et STUMM, . 1979; EMPA, 1990). Elles proviennent principalement de la combustion des carburants fossiles (oxydation des oxydes de N et S). Nous n'avons pas pu mettre en évidence une influence des eaux souterraines par ces teneurs importées des pluies. Contribution à l'étude des eaux souterraines de la région de Fribourg Troisième partie: Eaux souterraines de la région... 185 En effet, les eaux souterraines des Préalpes, peu touchées par les atteintes de l'agriculture, contiennent toutes moins que 5 mg/1 de N03". - Teneurs en Tritium des eaux d'infiltration: Ce Tritium provient des expériences nucléaires passées. D'un endroit à l'autre, dans les eaux de pluie, on observe des valeurs moyennes annuelles relativement homogènes. La décroissance exponentielle de cet isotope permet de déterminer Ie temps de séjour souterrain de l'eau (§ 5.4). Cependant des pollutions industrielles modifient localement ces valeurs et rendent difficile la détermination de temps de séjours au moyen de ce paramètre. Au cours de la présente étude, nous n'avons fait aucune investigation sur les micropolluants organiques et inorganiques. A ce sujet, nous faisons référence à KOZEL (1991). 100 90 ^, 80 I* 70 ~ 60 co O 50 Z 40 30 20 o =< 420" E 400- 380- 360 N03 [mg/l] S Dto [mg/l] K20 M-S/cm 800 ¦775 -750 I 1-725 \ -700 O CM -675 ^ -650 -625 600 1970 1975 1980 1985 1990 1995 Fig.3.28: Puits de Ecorcheboeuf à Montagny-Cousset: Evolution temporelle des paramètres de la minéralisation totale et des nitrates (analyses de routine du laboratoire cantonal de chimie de Fribourg). L'augmentation des NO3" se fait aussi sentir par des valeurs plus élevées de conductibilité électrique et de dureté totale. L'exploitation régulière du puits a eu lieu de 1971 à 1985. Contribution à l'étude des eaux souterraines de la région de Fribourg 186 Troisième partie: Eaux souterraines de la région... 4.4 Les variations temporelles de la qualité des entrées et les variations de l'état dynamique du système Dans les eaux de sub-surface "froides" qui font l'objet de cette étude, ces facteurs entrent souvent en compétition. L'évolution temporelle de la qualité physico- chimique des eaux de l'aquifère de la Tuffière offre un bon exemple de ces influences combinées. Elle dépend d'une part des variations de la qualité des eaux du lac de la Gruyère et d'autre part des variations du niveau hydrostatique (cf. Partie 2, § 5.5, fig. 2.19). Les fluctuations temporaires, saisonnières ou interannuelles de la qualité des entrées se répercutent, à l'exutoire des systèmes, sous forme de vagues d'eaux de qualités différentes. D'autre part, dans les systèmes où il y a présence de deux ou plusieurs composantes d'eau, les fluctuations temporelles de l'état hydraulique peuvent provoquer une variations des proportions de ces composantes à l'exutoire. Au § 6, nous présentons ces facteurs d'influence par l'étude des variations temporelles des caractéristiques dynamiques, physico-chimiques et isotopiques dans 6 systèmes hydrogéologiques choisis. 4.5 L'enrichissement ou la dégradation des paramètres observés A ce sujet, nous n'avons que peu de données. Ces phénomènes concernent souvent des paramètres étrangers au système naturel. L'exemple le plus éloquent est l'évolution des entrées de Tritium à une échelle de plusieurs dizaines d'années (augmentation provoquée par une influence anthropique et diminution causée par une diminution des sources de pollution et une désintégration progressive de l'isotope radioactif): La fig. B3 représente les valeurs mesurées dans les pluies et la sortie calculée en fonction du temps de séjour souterrain. D'autres phénomènes de réduction des nitrates ou des sulfates, par exemple peuvent avoir lieu. 4.6 Le temps de séjour souterrain. Le temps de séjour souterrain, déterminé au moyen du Tritium reflète au mieux l'effet tampon du système (cf. § 6). Certains paramètres tels que Mg+ + , Li+, SÌO2 et F" semblent s'enrichir progressivement en fonction du temps de séjour souterrain de l'eau. A ce sujet, nous référons le lecteur au § 5.5. D'autre part, tous les phénomènes de mise en solution des minéraux et d'échanges ioniques sont dépendants du temps. Dans la plupart des sources dont le temps de séjour souterrain de l'eau dépasse 5 ans, les variations temporelles de la minéralisation deviennent très faibles et, pour la plupart des paramètres chimiques mesurés, ininterprétables (§ 6). 4.7 Les interactions avec les eaux de surface. L'alimentation d'un aquifère par un cours d'eau ou un lac provoque un mélange avec les eaux tributaires des infiltrations efficaces et cause d'importantes modifications de leur qualité physico-chimique. L'exemple des eaux de la Tuffière est éloquent. A ce sujet, nous reportons le lecteur à la Partie 2. Un autre cas intéressant, celui de la Hofmatt est traité au § 5.2.2. Contribution à l'étude des eaux souterraines de la région de Fribourg Troisième partie: Eaux souterraines de la région... 187 5. Isotopes 18o et 3H: description et interprétation Au cours de la présente étude, nous avons porté les recherches sur l'application des traceurs isotopiques 1^O et ^H à la compréhension des mécanismes d'écoulement souterrain. Leur principal avantage est qu'ils sont liés à la molécule d'eau et apportent des renseignements spécifiques au trajet souterrain de celle-ci. En annexe B, nous présentons ces deux méthodes isotopiques. Les principaux résultats obtenus au cours de cette étude sont les suivants: Au moyen de l'Oxygène-18: - Détermination de la relation entre les valeurs moyennes d'180 et l'altitude des bassins versants hydrogéologiques (§ 5.2), - Détermination de l'altitude moyenne des bassins versants de certaines sources, - Mise en évidence de facteurs modifiant la relation entre T^O et l'altitude des bassins versants hydrogéologiques (§ 5.2), - Détermination des modalités d'alimentation relatives à quelques systèmes hydrogéologiques (§ 6), - Etude des possibilités de définir un temps de séjour moyen des eaux souterraines au moyen de 1'1^O (§ 5.3), - Estimation des temps de transit de l'onde d'infiltration depuis la surface jusqu'à l'exutoire de certains aquifères représentatifs (§ 6). Au moyen du Tritium: - Détermination du temps de séjour souterrain moyen relatif à certaines eaux souterraines (§ 5.4), - Détermination de la relation entre le temps de séjour souterrain de l'eau et les paramètres Mg++, Li+, et SÌO2 (§ 5.5), Détermination des proportions de composantes d'eau différentes, apparaissant à l'exutoire (§ 6), - Réflexions sur le bilan de Tritium (§ 5.6). 5.1 Les entrées Au cours de la période d'observation liée à cette étude, les eaux de pluies ont fait l'objet d'analyses aux endroits suivants (fig. 3.29): - Berne (1984 - 1988), - Payeme (1987 - 1988), - Illens (1985 - 1988). Pour 1'18O, on observe une variation saisonnière très semblable à celle de la température de l'air avec des maxima en juillet-août et des minima en janvier- février. Concernant le Tritium, on recueille les deux informations suivantes: - Dans certaines régions, les teneurs de l'eau de pluie sont fortement influencées par des pollutions industrielles locales (cf. fig. 3.29 et 3.30) qui modifient considérablement les entrées et de manière difficilement maîtrisable. Contribution à l'étude des eaux souterraines de la région de Fribourg 188 Troisième partie: Eaux souterraines de la région... • Dans les régions où on n'a pas d'influence industrielle locale, le Tritium varie relativement peu au cours du temps» avec des maxima en été et des minima à la fin de l'automne et en hiver. Cette évolution temporelle n'a pas toujours suivi la même tendance: Durant la période de hautes teneurs en Tritium dans les eaux atmosphériques (1960 - 1980), les maxima apparaissaient au printemps, période où les échanges entre stratosphère (à cette époque réservoir de Tritium) et atmosphère sont les plus grands. Au cours du temps, la stratosphère s'est progressivement "vidée" de son eau riche en Tritium et l'enrichissement des eaux de pluie tend à provenir de plus en plus de !'evaporation des eaux continentales encore relativement riches en Tritium (SCHOTTERER, communication orale). Les teneurs en 1^O et 3H varient au cours des saisons dans les eaux d'infiltration. Elles permettent aussi d'étudier la manière dont se répartit l'alimentation au cours du temps et la manière dont l'aquifère amortit ces variations. -5.0- o o ? -7.5 O 00 IT -10.0 —J» I—r i i i i 4- r- i il—c i -12.5 ¦--' -15.0 250 B 200 I 150 "5 îoo 50 0 !"!" r-» I w_l ..... TU Irrens TU Berne L- 3180 Payerne d180 Wens 3180 Berne —I—i—I—i—I—i—I—r—T—i—i—I—i—i—i—i—i—i—i—i—i—i— J FMAMJ J AS ON DjJ FMAMJJ ASON 1987 1988 Fig.3.29: Evolution temporelle de 1'18O et du3H dans les eaux de pluies de la région d'étude (stations d'Hlens et de Payerne) et de Berne. Jusqu'en novembre 1987, respectivement février 1988, les données de Payerne et d'Hlens sont des moyennes trimestrielles pondérées. Contribution à l'étude des eaux souterraines de la région de Fribourg Troisième partie: Eaux souterraines de la région,.. 189 O MO r-, O O --15 ¦-20 \^pj^- O CO T- --5 --1O -15 --20 o O O OO T- T—I I I ! TT—I—1—I—T -r—i—i—i—r S O N D| J TMAMJ J AS O N S]] FMAMJ J ASON d| J FMAMJJ AS OND [J TMAMJJ * ! O W D| 1984 19SS 19BS 19S7 1988 Fig.3.30: Evolution temporelle de 1'18O et du3H dans les eaux de pluies des stations de Berne et de Guttannen (Oberland bernois), durant la période de septembre 1984 à décembre 1988. Les valeurs de Tritium à Berne sont grandement influencées par des pollutions industrielles locales. Valeurs obtenues auprès de l'Institut de Physique de l'Université de Berne, département de physique du climat et de l'environnement. 5.2 Relation entre l'altitude et le 818O La figure 3.31 représente Ia relation entre l'altitude et les valeurs moyennes d'180 dans les eaux souterraines de la région d'étude. Il s'agit de valeurs moyennes représentatives de la période d'octobre 1985 à septembre 1988 (124 mesures au total pour 25 points d'eau, cf. tabi. 16). Les points situés à moins de 1200 m d'altitude correspondent à des aquifères du Quaternaire dans lesquels les temps de séjour moyens dépassent 5 ans (ronds pleins). Les trois points relatifs à l'altitude 1370 m correspondent aux valeurs moyennes du lac de la Gruyère à 5, 10, respectivement 20 m en dessous de la surface, qui intègrent la totalité du bassin versant du lac, soit plus de 800 km2. Contribution à l'étude des eaux souterraines de la région de Fribourg 190 Troisième partie: Eaux souterraines de la région... v\ (U T3 E OJ *—* C fi V) O) C >* A O V) E U p» 4> T3 CA fi •¦* V) <*-> V) « ^A 1600 1400 1200 1000 800 600 400 n____Q_ ¦ O y= 1 ¦ 3224.3-376.51X R*2 = = 0.962 ¦ ¦ tf\# o ¦ A A VB • 4^v j ¦ B .Tk -12.5 -12.0 -11.5 -11.0 -10.5 -10.0 -9.5 1985-1987: 3180 eaux-souterraines du Plateau -9.0 Fig. 3.31: Relation entre les 318O et l'altitude dans les eaux souterraines du Plateau fribourgeois (temps de séjour souterrain supérieur à 5 ans et dans les eaux du lac de la Gruyère (bassin versant de la Sarine d'altitude moyenne de 1370 m), 124 mesures relatives à 25 points d'eau pour la période de 1985 à 1987). La droite de régression n'est construite que sur la base des "•". Les autres figurés correspondent à des points d'eau discutés dans le texte: Pluies de Berne 1983-1988: * Moyenne arithmétique des valeurs mensuelles de 318Q. ® Moyenne des valeurs mensuelles de 318O pondérées sur les pluies. H Moy. des valeurs mens, de 318O pondérées sur les pluies efficaces. a Sources de Kaisa d'Avau et Bois de Bouleires. H Sources de la Hofmatt. O Source MC1 la Chanéa de Montagny-Cousset. O Diverses sources de crêtes (Berrà, Cousimbert, Combert). Concernant la pluie de Berne, on observe que la valeur pondérée sur les pluies efficaces (hauteur de pluie diminuée de l'évapotranspiration potentielle calculée au moyen de la formule de THORNTHWAITE) ne satisfait pas à la relation définie dans les eaux souterraines (trop d'input hivernal). Par contre, la moyenne arithmétique et la moyenne des valeurs mensuelles de 318O pondérées sur les pluies satisfont à cette relation. La relation entre T18O et l'altitude moyenne des bassins versants, déterminée empiriquement est la suivante: - Altitude moyenne b.v. M = - 376.5 • 318O -3324 Elle correspond à une diminution moyenne du 318O de -0.256 °/oo par 100 m de dénivellation. Cette relation est très proche de celle que SIEGENTHALER et al. (1983) ont décrit pour le bassin de l'Aare, à l'est de notre terrain d'étude. Contribution à l'étude des eaux souterraines de la région de Fribourg Troisième partie: Eaux souterraines de la région... 191 Cette droite constitue une référence pour tenter de répondre aux questions suivantes: - A quelle altitude moyenne se situe le bassin versant d'une source? - L'aquifère est-il alimenté par des eaux de surface provenant d'un bassin versant situé plus haut en altitude? - Les eaux ont-elles subi des phénomènes d'évaporation? - La distribution temporelle des infiltrations efficaces sur le bassin versant est-elle perturbée? Au cours de la période de 1983 à 1988, les valeurs moyennes à la station de Berne (altitude: 565 m) sont les suivantes: PLUIE ET 0-18 A BERNE 1983 - 1988 I 0-18 [o/oo] moyenne 0-18 [o/oo] moy. pond. 0-18 [0/00] moy. pond. Année Pluie tot. Pluie eff. Temp. fmm] [mml rei arithm. s/pluie tot. s/pluie eff. 1983 921 519 8.8 -9.54 -9.6 -10.6 1984 983 509 8.1 -11.68 -11.26 -12.37 1985 962 553 7.85 -10.14 -10.66 -12.19 1986 1131 572 8.26 -9.62 -9.15 -10.65 1987 1235 684 8.2 -10.15 -9.9 -10.52 1988 1136 524 9.14 -9.53 - 9 -10.25 moyenne 1062 560 | 8.28 -10.11®] -9.93 *| -11.1 E Aux stations de Payerne et d'Illens (fig. 3.29), compte tenu des différences d'altitude, on retrouve une évolution similaire. 5.2.1 Altitude moyenne du bassin versant d'une source Sur la base de la relation décrite ci-dessus, nous avons pu déterminer l'altitude moyenne des bassins versants de plusieurs sources dont nous citons l'exemple suivant: Les sources de l'aquifère de la Tuffière (Partie 2, § 5), tributaires des infiltrations efficaces locales, proviennent d'un bassin versant situé à 710 m ±10 m (31^O moyens de -10.4 °/oo). Elles ne contiennent, par conséquent, pas de composante quantifiable (> 10 %) provenant du Gibloux, mont qui culmine à 1206 m, au sud de l'aquifère en question (fig. 2.3). Par contre, les grandes sources du pied nord du Gibloux (Kaisa d'Avau, 1'5OO l/min et Bois de Bouleire, 1'0OO l/min) possèdent des 31^O moyens de -11.2, respectivement -11.15 °/oo). L'altitude moyenne de leurs bassins versants est estimée au moyen de cette méthode à 990 ±30 m, alors que l'estimation faite sur la base des données géographique est de 840 ±30, respectivement 900 ±30 m. 5.2.2 Alimentation de l'aquifère par des eaux de surface Sur le Plateau suisse, de nombreux cours d'eau proviennent de régions montagneuses. Leurs eaux possèdent des 31^O inférieurs à ceux des eaux souterraines locales. Lorsqu'il y a alimentation de l'aquifère par ces eaux de surface, on détecte des anomalies négatives d'18 O qui permettent de quantifier ce genre d'alimentation (cf. SIEGENTHALER et al., 1983). Contribution à l'étude des eaux souterraines de la région de Fribourg 192 Troisième partie: Eaux souterraines de la région... Altcrswil Fig. 3.32: Schéma hydrogéologique de la région de la Hofmatt près drAltcrswil. Les graviers aquifères, recouverts d'une épaisse moraine, remplissent un ancien sillon. Ils sont en contact hydraulique avec les graviers de progression glaciaire qu'on retrouve le long du lit de la Singine en amont du pont de Guggisberg (PG). A l'aval de la Hofmatt, les graviers font rapidement place à des sédiments fins, peu perméables. Contribution à l'étude des eaux souterraines de la région de Fribourg Troisième partie: Eaux souterraines de la région... 193 L'aquifère de la Tuffière est alimenté par les eaux du lac de la Gruyère qui proviennent en très grande partie des Préalpes et possèdent, par conséquent, de faibles taux d'180. Grâce aux analyses de cet isotope, il a été possible de quantifier les modalités de cette alimentation (cf. Partie 2, § 5.5). Un autre aquifère important (sources de plus de 8000 1/min), celui de la Hofmatt à Alterswil (fig. 3.32), semble être alimenté en partie par les eaux de surface du bassin de la Singine (SCHNEUWLY, 1988). Cette alimentation fut mise en évidence par des pompages d'essai effectués lors des travaux de captage (MOLLET J934, 1935). Les eaux de surface alimentant cet aquifère sont soit la Singine (altitude moyenne du bassin versant = 1330 m au pont de Guggisberg), soit le Tütschbach, petit ruisseau provenant de du SW de Planfayon (altitude moyenne du bassin versant = 940 m). Les analyses d'180 aux sources (altitude moyenne du bassin versant géographique = 880 ±20 m) montrent une grande stabilité (-10.8 ± 0.1 °/oo). Elles correspondent à l'altitude moyenne d'un bassin versant de 850 ± 50 m. Le temps de séjour souterrain moyen (Tritium) de ces eaux est de l'ordre de 10 à 13 ans) On constate donc que les mesures d'180 ne démontrent pas que les eaux de la Hofmatt, dans l'état actuel d'exploitation1, ont une origine étrangère au bassin versant. Si il y a alimentation de l'aquifère par la rivière Singine, il ne peut s'agir que d'une proportion insignifiante, si l'on considère que le 318O moyen de eaux de la Singine est de l'ordre de -12,0 %o. Ce fait est confirmé par les teneurs en SO4" (< 15 mg/1) mesurées dans les eaux des sources de la Hofmatt. Cet anion est un très bon traceur des eaux des Préalpes (50 à 120 mg/1 dans les eaux de la Singine) et ne montre pas de concentration assez haute pour attribuer à cet aquifère une quelconque alimentation par les eaux de la Singine. L'alimentation partielle de l'aquifère de la Hofmatt par les eaux de surface (si elle a lieu) pourrait provenir alors du Tütschbach. Il y aurait alors lieu de préserver la qualité des eaux de ce ruisseau. 5.2.3 Phénomènes d'evaporation des eaux durant leur trajet sub- aérien Pour illustrer ce phénomène, nous proposons l'exemple de la source de la Chanéa à Montagny-les-Monts (analyse XX07 et IJMC, tabi. 8). Cette source forme une partie de l'exutoire naturel d'une terrasse de graviers qui s'étend à l'altitude moyenne de 625 m, entre les villages de Grandsivaz et Montagny-les-Monts. A une certaine époque, l'exploitation de tourbe dans une dépression de cette terrasse de graviers a abouti à la formation de deux étangs (les Gours) dont la superficie totale est de 20'000 m2. Ces étangs se situent à 380 m à l'amont hydrogéologique de la source. Le transit de l'eau souterraine par les étangs durant un certain laps de temps, provoque une evaporation partielle et y induit une augmentation du 318O (-8.89 °/oo). Une telle valeur correspond à une altitude de l'ordre 125 ±50 m. Les mesures relatives à la source sont ainsi situées en dessus de la droite définie en fig. 3.31. Ce passage temporaire de l'eau souterraine à un stade sub-aérien a une autre conséquence: Le taux de nitrates de la source est particulièrement bas (10-15 mg/1), comparé à celui des autres sources de la région (fig. 3.17). 1 Depuis 1940, l'aquifère graveleux de la Hofmatt est exploité par 5 puits filtrant. Un système de siphons aspire en permanence un débit de l'ordre de 6'4OO à 10*400 1/min. Cette eau s'écoule ensuite par gravité jusqu'au réservoir de Bourguillon qui alimente la ville de Fribourg. Contribution à l'étude des eaux souterraines de la région de Fribourg 194 Troisième partie: Eaux souterraines de la région... 5.2.4 Distribution temporelle des infiltrations efficaces La distribution des infiltrations efficaces au cours du temps n'est pas toujours proportionnelle pour chaque aquifère. Pour illustrer ce phénomène, nous proposons deux exemples: Exemple a): Teneurs en 18O des eaux souterraines au voisinage de crêtes Afin de déterminer la relation entre Ie 518O et l'altitude des bassins versants, nous avons prélevé l'eau de sources situées aux abords des sommets de collines ou de montagnes (Combert, Gibloux, Berrà etc.). A ces endroits, la détermination de l'altitude moyenne du bassin versant de la source est aisée. Cependant Ia plupart de ces eaux possèdent des 318O trop élevés par rapport à la droite de la figure 3.31. Nous proposons l'explication suivante: Dans ces situations géographiques particulières, il y a probablement un déficit des entrées hivernales et printanières (pauvres en 18O) à cause du fait que Ie manteau neigeux y est moins important (neige soufflée, avalanches, etc.). D'autre part, les 3 18O des précipitations au voisinage des sommets et crêtes de montagnes ne suivent pas nécessairement la même relation de décroissance en fonction de l'altitude que sur les grands versants. Exemple b): Différences géologiques et pédologiques dans les zones d'infiltration. Les modalités d'infiltration dans les systèmes poreux et karstiques sont probablement différents. A cause de la structure des sols et de Ia densité de végétation différentes pour chaque type d'aquifère, la proportion des infiltrations estivales (riches en ^8O) est, à une même altitude, sensiblement plus importante en milieu karstique qu'en milieu poreux. On constate que dans nombre de systèmes karstiques dont l'altitude moyenne des bassins versants est connue, les 318O sont trop élevés par rapport à Ia droite de relation établie sur la base de données provenant d'aquifères situés en milieux poreux (ZWAHLEN et al. 1990 et LAVANCHY 1991). 5.3 Possibilité de définir un temps de séjour souterrain moyen à l'aide de 1'18O Au § 5, nous mettons en évidence les variations saisonnières des 3*8O de l'eau au sein de petits aquifères du Quaternaire. Elles sont principalement influencées par les fluctuations des 318O des pluies efficaces, malgré la présence, parfois, de deux ou plusieurs composantes d'eau. A la source, l'amplitude des variations d'180 de l'eau dépend alors de l'effet d'amortissement des impulsions par l'aquifère. Lc modèle exponentiel (cf. annexe B) permet de simuler cet effet tampon et de déterminer un temps de séjour souterrain moyen à partir des variations saisonnières du 318O de l'eau à l'exutoire du système. La fig. 3.33 présente Ia courbe d'amortissement des variations du 318O (AS18O) calculées en fonction du temps de séjour souterrain moyen, pour la région du Plateau et l'année 1989. Ce graphique a été construit au moyen du modèle exponentiel, sur la base des mesures mensuelles des 318O des pluies à Ia station de Berne. Le Ad 18O calculé représente la fourchette de variation annuelle maximale des valeurs calculées du 3 ^ 8O. Ainsi, à partir de 12 mesures mensuelles représentatives ou moyennes du 318O de l'eau d'une source, on détermine un A318O observé. Comparant ce demier à celui que l'on calcule sur la base du 318O des Contribution à l'étude des eaux souterraines de la région de Fribourg Troisième partie: Eaux souterraines de la région... J______i______i______i______I______i______I______i______i______ ¦ ¦ ¦ • ' 195 8 10 12 t [années] 20 Fig. 3.33: Courbe ' d'amortissement représentant la fourchette de variation annuelle maximale des valeurs d'Oxygène 18 (A3180) en fonction du temps de séjour moyen de l'eau.(résultat du calcul au moyen du modèle exponentiel sur les données de la station de Berne, valable pour l'année 1988). Les points "•" correspondent à diverses sources (§ 6) dans l'eau desquelles les A318O ont été déterminés sur plus de 10 échantil- lonnages ponctuels, répartis dans le temps entre 1987 et 1988 et le temps de séjour souterrain moyen défini à d'aide de la méthode du Tritium. Les étoiles correspondent aux sources ON d'Onnens (aquifère épidermique de la molasse burdigalienne) dont le débit se compose à environ 45% d'une eau dépourvue de Tritium et HE de Henniez contenant aussi une proportion d'eau dépourvue de Tritium. Ce graphe démontre qu'il y a possibilité de déduire la valeur du temps de séjour moyen souterrain d'une eau par l'étude de l'évolution temporelle de ses 318O. MC: Source MC, La Chanéa de Montagny-Cousset. G3: Source G3 de la zone sourcière du Grabe à la Tuffière. PA: Source PA, Les Haches à Grandsivaz. SZ: Source Stolzenmühle de Schwarzenburg. HE: Source G du sillon d'Henniez (avec composante exempte de Tritium). ON: Source ON de Onnens (avec composante exempte de Tritium). A2: Source A2 à Oleyres. pluies, on peut déterminer un temps de séjour moyen souterrain relatif à l'eau en question1. Il faut admettre, pour cela, les conditions suivantes: - La distribution des temps de séjour suit la loi exponentielle de la fig. B4. - Le mélange de l'eau d'infiltration se fait de manière homogène dans tout l'aquifère (présence d'une seule composante et absence de by-pass). - L'infiltration a lieu de manière constante au cours du temps. 1 II y aurait lieu d'affiner ce modèle en développant une méthode qui tient compte de la variabilité temporelle des infiltration, ou qui permet de comparer les séries de mesures avec les séries correspondantes issues du calcul. Voir à ce sujet BALDERER (1986) et SIEGENTHALER in MÜLLER et al. (1983). Contribution à l'étude des eaux souterraines de la région de Fribourg 196 Troisième partie: Eaux souterraines de la région... UUUj - 03 • 0.004 - a 0.003 - < 0.002- • • 0.001 -o.onn- • ? • -i-----r- —1—r— 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 A 3180 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 A3180 X o 0.0 0.1 0.2 0.3 0. A 3180 -30 T—«—I—¦—I—»- 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 A 3180 =¦ io T—'—i—'—r 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 A 3180 T—r 0.0 0.1 0.2 0.3 0. A 3180 =• 120 IlOOi =¦ 16 T—¦—i—¦—r 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 a 9180 T—'—i—•—r 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 A 3180 Fig. 3.34: Relation entre les Ad18O observés et d'autres paramètres dans l'eau de 8 sources du Quaternaire et d'aquifères épidermiques de la molasse (alpha = coefficient a de tarissement, AK20 = fourchette de variation maximale de la conductibilité électrique au cours d'une année. t sej. 3H = temps de séjour moyen souterrain déduit des mesures de Tritium), Au moyen d'un nombre restreint de mesures étagées dans Ie temps, il est néanmoins possible d'estimer un temps de séjour moyen maximal. En effet, le AO18O défini, permet de donner cet ordre de grandeur. Suivant cette idée, nous avons obtenu des résultats encourageants en mesurant le 318O au moins 10 fois durant une période de deux ans (1986-1988) de l'eau à l'exutoirc de 8 systèmes hydrogéologiques. De manière synchrone, nous avons déterminé le temps de séjour souterrain moyen de ces eaux à l'aide du Tritium. La fig. 3.33 représente ces résultats: La relation définie se rapproche de la courbe théorique. Ces Aa18O observés se corrèlent bien avec les temps de séjour définis au moyen du Tritium (fig. 3.34) mais aussi avec Mg+ + , Ca++/Mg++, Li+, F" et SÌO2, les autres paramètres chimiques bien corrélés avec le temps de séjour souterrain (§ 5.5). On observe aussi une bonne corrélation entre Ad18O et AK20, mesure de l'amplitude de variation annuelle des conductibilités électriques établie sur Ia base de mesures bimensuelles. Ces AK 20, devraient aussi fournir des informations sur le temps de séjour souterrain de l'eau (fig. 3.35). Cependant, nous n'avons pas analysé un nombre assez grand de points d'eau pour déduire des informations généralisâmes. Contribution à l'étude des eaux souterraines de la région de Fribourg Troisième partie: Eaux souterraines de la région... 197 0.005 20 30 AK20 0 10 20 3< AK20 - 100 O) =¦30 _ 120 20 30 AK20 =• 10 =• 16 0 10 20 30 AK20 20 30 AK20 Fig. 3.35: Relation entre les A K 20 observés et d'autres paramètres dans l'eau de 8 sources du Quaternaire et d'aquifères épidermiques de la molasse (alpha = coefficient a de tarissement, AK20 = fourchette de variation maximale de la conductibilité électrique au cours d'une année. t sej. 3H = temps de séjour moyen souterrain déduit des mesures de Tritium). D'autre part, si l'interprétation des variations temporelles de 918O ne pose pas trop de problèmes, lorsque les inputs sont connus, il est moins aisé de définir les causes de variation des conductibilités électriques (cf. § 6). Les mêmes mesures d' 18 O permettent de déterminer le temps de trajet modal de l'onde d'infiltration des pluies efficaces (cf. §6). Cette méthode de détermination d'un temps de séjour moyen souterrain à l'aide du AB18O (ou de AK20) demande à être affinée en ce qui concerne le calcul du A3180 mais aussi quant à l'échantillonnage: Un échantillon moyen mensuel ou hebdomadaire à la source serait plus justifié qu'une prise ponctuelle. Cette méthode devrait fournir d'excellents résultats pour la détermination de temps de séjour souterrain moyen de l'ordre de 1 à 10 ans des eaux, en milieu karstique, fissurai ou poreux. Elle devrait pallier à beaucoup de problèmes rencontrés au cours de la datation à l'aide du Tritium, entre autres les pollutions locales et le manque de précision de la méthode à cause des faibles teneurs que recèlent actuellement les eaux météoriques. Contribution à l'étude des eaux souterraines de la région de Fribourg 198 Troisième partie: Eaux souterraines de la région... ^^ luu : • O) 80: It ¦>—I 60- + 40: ...-•• • •• 20: • • n- —,—.—,— ^ n -O) E " 10- + « z 5 n- 0 10 20 0 ~ 10.0 O) E + =* JU " O) • E • " 20- • + • « • • • * + • O) •• • 2 10- • •• 0- • ^150-E " 125 - i loo-Ü 75-sn - 0 10 20 0 ="1250 ^1000 1 - ZUU O) - 150- • • • • + • i îoo- « * • CQ • • • 50" • .• % 0- • * ¦i— i- i 0 =¦ 50 O) J1 40- . 30" m O 20 " 10- 0 10 20 0 |> 100 i o CO 0 O) E O Contribution à l'étude des eaux souterraines de la Troisième partie: Eaux souterraines de la région... 199 5.4 Tritium: Détermination de temps de séjour souterrain L'étude des temps de séjour souterrains au moyen du Tritium a porté essentielle- ment sur les eaux souterraines du Plateau issues de la molasse et du Quaternaire. Dans les eaux profondes de la molasse, on ne retrouve pas de teneurs de Tritium supérieures à 3 UT: Il s'agit donc d'eaux dont le séjour souterrain dépasse 40 ans. Dans certains aquifères épidermiques de la molasse, on retrouve parfois une eau mixte comportant une composante exempte de Tritium (< 3 UT) et une composante avec Tritium (>20 UT). C'est le cas de la source d'Onnens (§ 6.3) Dans les sources du Quaternaire on observe habituellement des teneurs de l'ordre de 30 à 50 TU (valeurs de 1989). C'est grâce à la décroissance radioactive du Tritium au sein du milieu aquifère qu'il est possible de déterminer un temps de séjour souterrain de l'eau (cf. Annexe B). En utilisant cette méthode, on rencontre entre autres, actuellement, les problèmes suivants: - Dans les pluies, il y a de moins en moins de Tritium (cf. fig. B3 a, 3.29 et 3.30). Il faut procéder à des mesures toujours plus précises. De plus, les valeurs de Tritium calculées par modèle, pour des temps de séjour différents se rapprochent de plus en plus les unes des autres. - Par endroits, il y a des pollutions régionales dues à divers types d'industries qui induisent des variations locales et temporaires de Tritium dans les eaux de pluie. A ces endroits, si une observation précise et régulière des entrées n'est pas entreprise sur une longue période, il est illusoire d'utiliser cette méthode de datation des eaux souterraines. - Quelques eaux contiennent une composante plus ou moins importante dépourvue de Tritium. Si la proportion de cette composante est plus petite que 20 %, les teneurs en Tritium à la source sont encore plus élevées que celles des précipitations. Il devient alors très difficile de déterminer un temps de séjour moyen correct sans disposer de mesures régulières sur plusieurs années. 5.5 Relation entre séjour souterrain (3H) et chimie des eaux Au cours de la présente étude, nous avons pu mettre en évidence une relation entre les paramètres chimiques Mg++, Ca++/Mg++, Li+, F" et SÌO2 (cf. § 3.4). De plus, ces paramètres se voient bien corrélés avec le temps de séjour moyen défini à l'aide du Tritium (fig. 3.36). Ces relations démontrent que pour certains paramètres, Mg+ + , Li+, et SÌO2 entre autres, l'acquisition du chimisme peut durer plusieurs années et qu'elle a lieu progressivement au cours du temps. Il est évident que ces relations entre séjour souterrain (^H) et chimie des eaux ne se réalisent que dans des eaux bicarbonatées calciques et magnésiennes liées au Quaternaire et aux aquifères épidermiques de la molasse du Plateau. Cependant, le fait que ces paramètres s'enrichissent progressivement dans l'eau au cours du temps devrait être généralisable à d'autres terrains. La meilleure corrélation définie est celle entre le temps de séjour et le rapport Ca++/Mg++. Ainsi, les mesures de Mg+ + , Li+, et SÌO2 et le rapport Ca++/Mg++ permettent de donner une appréciation sur le temps de trajet souterrain de l'eau, son origine et l'importance des réserves au sein de l'aquifère. Fig. 3.36: Eaux souterraines de la région située entre les Préalpes fribourgeoises et le lac de Neuchâtel: Relation entre le temps de séjour souterrain moyen calculé à l'aide du Tritium et 14 paramètres physico- chimiques pour 22 points d'eau. En abscisse, temps de séjour souterrain moyen [années]. Une relation évidente existe entre ces temps de séjour souterrain et les paramètres Li+, Mg++, F", S1O2 et Ca++/Mg++. Contribution à l'étude des eaux souterraines de la région de Fribourg 200 Troisième partie: Eaux souterraines de la région... 5.6 Temps de séjour souterrain et volume des réserves Pour le système hydrogéologique de la Tuffière, nous avons comparé le volume d'eau calculé à partir du temps de séjour souterrain (Tritium) et du débit moyen du système entier avec celui des réserves écoulables et totales de l'aquifère (Partie.2, § 5). 5.7 Conclusion de l'étude isotopique L'étude des paramètres isotopiques a permis d'obtenir de nombreux résultats pratiques sur la relation entre le 31^O moyen aux sources et l'altitude moyenne des bassins versants, les phénomènes qui influencent cette relation, les vitesses de transit des ondes d'infiltration, le temps de séjour souterrain et la détermination de composantes d'origine différentes à l'exutoire. Elle a permis de reconnaître quelques limites de ces méthodes. On présente une possibilité de déterminer un temps de séjour souterrain moyen de l'eau à l'aide des variations saisonnières d'Oxygène-18 Contribution à l'étude des eaux souterraines de la région de Fribourg Troisième partie: Eaux souterraines de la région... 201 6 Evolution temporelle des caractéristiques physico- chimiques et isotopiques 6.1 Introduction Durant ce chapitre, nous proposons, à titre d'exemple, l'étude de l'évolution temporelle des caractéristiques physico-chimiques et isotopiques des eaux de 6 sources issues d'aquifères épidermiques de Ia molasse (2), du Quaternaire (3) et du karst (1) Le tableau 17 résume les principales caractéristiques de ces sources et de leurs eaux. Il s'agit de systèmes choisis, dont la dynamique n'est influencée que par les variations naturelles des entrées (exception, la source G3 [§ 6.4], perturbée par quelques essais de pompage dans son bassin versant). Les corrélogrammes simple (débit-débit) et croisé (pluie-débit), en fig. 3.37 laissent entrevoir que les réponses dynamiques de ces systèmes sont représentatives des réponses de la plupart des systèmes que l'on rencontre sur Ie terrain d'étude, passant d'un régime très nerveux (source de la cascade de Jaun, § 6.7) à un régime presque stabilisé (source A2, § 6.2). La connaissance géologique de la plupart de ces systèmes reste lacunaires car ils n'ont pas fait l'objet de prospection hydrogéologique de détail pour leur exploitation ou leur gestion. L'étude a porté sur le débit, l'Oxygène-18, le Tritium, la température, la conductibilité électrique, les duretés totale et temporaire (TAC) et les ions Na+, K+, Mg++, Ca++, NO3-, SO4" et Cl". On constate que les principaux facteurs induisant une variation temporelle de la qualité physico-chimique et isotopique des eaux sont les suivants: - Variations temporelles de la qualité des entrées (eaux de pluies et d'infiltration, eaux de surface...), - Variations de l'état dynamique du système et au sein de ses différentes parties, qui conditionnent les proportions des mélanges d'eaux aux exutoires1, - Enrichissement ou dégradation de constituants (Tritium, N03', SO4"...), Les principales informations pratiques qui résultent de l'observation des systèmes étudiés sont, pour chaque paramètre, les suivantes: - Le débit: Régime dynamique du système (réponse impulsionnelle), - L'Oxygène-18: Déplacement des ondes d'infiltration à travers le système, temps de séjour souterrain moyen de l'eau, - Le Tritium: Temps de séjour souterrain moyen, proportions de composantes d'eau "ancienne", mélange de diverses composantes, - La conductibilité électrique: Transfert réel des ondes de dilution (forte alimentation), indications sur la présence et le comportement de deux composantes d'eau à régime hydraulique différents, présence de "by-pass" rapides, 1 Ces deux types de variations ont déjà été mises en évidence dans la réponse du système hydrogéologique de la Tuffière aux alimentations puisées du lac de la Gruyère (cf. chap. 3, § *). Contribution à l'étude des eaux souterraines de la région de Fribourg Troisième partie: Eaux souterraines de la région... -0.2 T—¦—i—'—i—¦—i—¦—i—¦—i—¦—i—•—i—¦—i—¦—i—•—i—¦— 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 Décalage [semaines] O 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 Décalage [semaines] Fig. 3.37: Correi o gram mes simple (débit-débit) et croisé (pluie-débit) relatifs aux sources A2 à Oleyres, G3 de la zone du Grabe à la Tuffîère, ON à Onnens, PA à Grandsivaz, SZ à Schwarzenburg et Cascade de Jaun. Contribution à l'étude des eaux souterraines de la région de Fribourg Troisième partie: Eaux souterraines de la région... 203 - Température: Indications sur le stockage ou le transit de l'eau à l'intérieur d'une zone d'hétérothermie, présence de "by-pass" rapides, - Dureté totale, TAC et Ca++: Indications analogues à celles de la conductibilité électrique mais moins précises à cause de la moins bonne reproductibilité des mesures, - Na+, K+, NO3" et Cl": Indications sur Ie comportement, le transfert et Ia dilution de ces paramètres, traceurs des activités humaines, - Mg++ : Eventuellement indications sur l'évolution du mélange avec une composante d'eau "ancienne", - SO4": Dans les eaux du Quaternaire, peu d'indications à cause des difficultés de reproduction fiable et précise des mesures. Dans le karst, bonnes indications sur l'évolution des rapports entre différentes composantes d'eau, à cause des variations importantes des teneurs. Au cours de Ia description des eaux de chaque source, nous présentons les principaux arguments physico-chimiques et isotopiques qui conduisent à une interprétation globale des informations. 6.2 Source A2 à Oleyres: Aquifère épidermique de la molasse La source A2 de Oleyres (analyse No IJA2 au tabi. 8), propriété de la commune d'Avenches, se situe aux points de coordonnées 568.980/189.100, ait. 560 m, 500 m à l'E-SW du village. Le captage est composé de 2 drains d'environ 10 m de longueur, placés à 2 m de profondeur, dans un banc de grès altéré et fissuré du sommet de l'Aquitanien. Cette source se situe à l'extrémité nord d'un captage plus important (analyse XX33, tabi. 8, environ 250 1/min) et dont les caractéristiques des eaux sont proches de celles de la source A2. Le bassin versant de cette source est la partie nord de la colline molassique (grès du Burdigalien), presque entièrement boisée du Grand Belmont. Le débit (fig. 3.39) réagit très mollement, avec un retard de l'ordre de 2 mois sur les impulsions de l'alimentation naturelle. Nous n'avons pas mis en évidence de by- pass, faisant arriver au captage une composante d'alimentation rapide. L'Oxygène-18 fluctue au sein de la marge d'erreur de la mesure, autour d'une moyenne de -10.02 °/oo. Le Tritium: A l'exutoire, on observe des valeurs de Tritium relativement hautes (moyenne de 52 UT). Elles fluctuent dans la fourchette de reproduction des mesures avec deux exceptions (valeurs du 1.6.87 et du 29.3.88 qui n'ont pas été prises en considération dans les calculs). Ces valeurs, plus faibles, proviennent probable- ment d'influences limitées dans le temps, amenant à l'exutoire une eau plus récente, lors des périodes d'alimentation de l'aquifère. Compte tenu des concentra- tions d'inputs connues, elles sont, sur la base du modèle exponentiel, proches du maximum possible. A l'exutoire de ce système, on nobserve donc qu'une compo- sante dont le temps de séjour souterrain moyen calculé est de l'ordre de 19 ans. La température: Les variations saisonnières de température (7.7 à 9.5 0C) montrent que la région d'exutoire et le captage se situent en zone d'hétérothermie saisonnière. Les autres paramètres physico-chimiques mesurés (fig. 3.39) fluctuent tous à l'intérieur de la fourchette de reproduction des mesures. Malgré un temps de séjour souterrain élevé, le teneurs en Mg++ (16 mg/1) restent dans un ordre de grandeur moyen. Cependant, Ie rapport Ca++/Mg++ (2.8) est bas (cf. § 5.5) Contribution à l'étude des eaux souterraines de la région de Fribourg 204 Troisième partie: Eaux souterraines de la région... Source A2 de Avenches E 0 E 10 20 O 30 Xl 40 O) 50 O) 60 O ta 70 O 80 «0- •^ 0) O) T a 436 430 i—. 475 L O 420 CO n i—i 415 O CM 410 * 405 400 55 50 ^^ H 45 r-^ 40 E 3 35 ?* H 30 25 20 n Ifipri n m n n TTC r HI K20 [nS/cmJ — #-- 0-18 * Tritium [UT] C h 90 i h 80 "70 Q -60 100 50 - -9.95 - -10.05 --10.10 --10.15 -10.20 i—i—;—i—i—i—I—i—i—i—i—i—i—i—i—i—i—i—i—i—i—r J FMAMJ J ASON D|J FMAMJJ AS ON 1987 1988 Fig. 3.38: Source A2 à Oleyres: Evolution temporelle des pluies efficaces sur le bassin versant, du débit, de la conductibilité électrique, du 918O et du Tritium en 1987 et 1988. Contribution à l'étude des eaux souterraines de la région de Fribourg Troisième partie: Eaux souterraines de la région... 205 300 200 100 0 430" 420 410 400 275 250 225 200. \1 16 15. 1.0 0.8 0.6 0.4 7 - Pluies mensuelles fmm] ..-"-X.. ..-*¦ _____y \ ____*" Q [l/min] ^^ K20 [nS/cm] _.«....•—•••— 75 -70 -65 60 ¦ " Cl- [mg/i]^ .-^^- - J1F1M1A1M1J1J1A1S1O1N1DlJ1F1M1A1M1J1J 1A1S' 1987 1988 Fig. 3.39: Source A2 à Oleyres: Evolution temporelle des paramètres physico-chimiques de l'eau entre 1987 et 1988. Contribution à l'étude des eaux souterraines de la région de Fribourg 206 Troisième partie: Eaux souterraines de la région... Source ON de Onnens 575" •=¦ 570 f«* — 560 o cm 555 550 545 45 40 35 30 25 20 15 10 E 3 ----------- K20 foiS/cm] — If-- 0-18 Ç Tritium [UT] Klange des deux composantes ¦t------------ 350 -300 -250 -200 -150 L--" TemP^e séjour=^ an, ^^ame réceme ans î--------f"--------1" —I—I—I—I—I—I—|—I—l-------1—l—1—I—l—l—I-------1—1—l—I—I—T J FMAMJ J ASONDJ FMAMJJ AS ON 100 h-10.25 --10.30 .O --10.35 O OO --10.40 Z --10.45 -10.50 1987 1988 Fig. 3.40: Source ON à Onnens: Evolution temporelle des pluies efficaces sur le bassin versant, du débit, de la conductibilité électrique, du 31^o et du Tritium en 1987 et 1988. Contribution à l'étude des eaux souterraines de la région de Fribourg Troisième partie: Eaux souterraines de la région... 207 On est en présence d'un système à l'exutoire duquel, la réponse physico-chimique, isotopique et dynamique se trouve presque totalement amortie par aux impulsions dentrée des précipitations. Il ne restitue qu'une seule composante d'eau, avec, peut- être, en périodes d'alimentation de printemps, l'arrivée partielle (< 10% du débit) d'une eau récemment infiltrée. Pour un temps de séjour souterrain moyen (Tritium) de l'ordre de 19 ans, on n'observe plus de variation temporelle significative de la réponse physico- chimique et isotopique. 6.3 La source d'Onnens: Aquifère épidermique de la molasse La source d'Onnens (source No 23, analyses XX23 et WWON, tabi. 8) se situe aux points de coordonnées 569.500/181.810, altitude 645 m, 50 m au sud de la route Fribourg - Payerae, au lieu-dit La Maison Rouge. Elle se situe sur le flanc nord de l'anticlinal de Corserey, à la base des séries gréseuses du Burdigalien (cf. fig. 1.2). Le captage est une galerie creusée dans le grès, d'une longueur de 15 m, au fond de laquelle l'eau jaillit d'une fissure ouverte. Elle est utilisée pour l'approvisionnement en eau de la commune d'Onnens (FR). Le débit (fig. 3.40) fluctue fortement avec un retard de l'ordre de 1 à deux mois sur les pluies efficaces. Le Tritium: Au contraire de la source A2, nous sommes en présence d'une source épidermique de la molasse dont l'eau contient des teneurs en Tritium relativement stables et très basses (19.5 à 20.8 UT). Si l'on calcule le temps de séjour souterrain de cette eau à l'aide du modèle exponentiel, sans inclure une composante exempte de Tritium, on obtient un temps de séjour souterrain moyen de 0.5 à 1.5 an. Cette valeur n'est pas réaliste car elle impliquerait une très faible inertie du système et, par conséquent, une grande fluctuation de tous les paramètres, y compris Ie Tritium, ce qui n'est pas le cas. A l'exutoire du système hydrogéologique d'Onnens, on observe donc une composante d'eau ancienne, contenant moins que 3 UT et une autre autre composante, récente (5 - 15 ans). Le temps de séjour souterrain moyen calculé de cette dernière dépend des proportions du mélange de la manière suivante:__________ - Pourcentage d'eau < 3UT: 0 10 20 30 40 45 50 60 70 80 90 - Temps de séjour calculé: 1 3 4.5 6 8.5 12 20 16 16 16 0.5 2.2 2.5 2.8 2.8 2.2 1.7 1.9 4.3 9.9 15 19 -vZ(mesures - calculs)^: Les valeurs optimales calculées sont les suivantes: - Proportion du mélange de l'ordre de 40 à 45 % d'eau "ancienne", - Temps de séjour souterrain de la composante récente compris entre 8.5 et 12 ans, ce qui correspond aux temps de séjour calculés pour la plupart des eaux du Quaternaire de la région d'étude (cf. § 5.4). Les hautes teneurs relatives en Mg++ (> 25 mg/1) confirment cette proportion: En effet, les eaux anciennes du Burdigalien contiennent jusqu'à 35 mg/1 de Mg++ , tandis que les eaux du Quaternaire en contiennent en moyenne 12 à 17 mg/1. L'évolution inverse des teneurs en Ca+ + et Mg+ + restitue probablement les variations à la source des proportions de ce mélange, sans qu'une relation claire ne puisse être établie avec les variations de débit. Une mesure de février 1989 (très basses eaux) ne contient plus que 11.5 UT. Elle montre que dans une situation extrême, la composante ancienne, exempte de Tritium, prédomine. Cependant, pour cet échantillon, la chimie n'a pas montré de variation importante (K20 = 565 u.S/cm et Mg++ = 25.5 mg/1) Contribution à l'étude des eaux souterraines de la région de Fribourg Troisième partie: Eaux souterraines de la région... —\—!—ï—ï—ï—ï—ï—ï—ï—i—ï—I—ï—i—I—ï—i—i—i—i—r J FMAMJ JASONDIJFMAMJJ AS 1987 1988 Fig. 3.41: Source ON à Onnens: Evolution temporelle des paramètres physico-chimiques de l'eau entre 1987 et 1988. Contribution à l'étude des eaux souterraines de la région de Fribourg Troisième partie: Eaux souterraines de la région... 209 L'Oxygène-18: Les quelques mesures de 318O présentées en fig. 3.40 ne varient que peu. Le nombre de mesures est insuffisant pour esquisser une interprétation de ce paramètre. La conductibilité électrique habituellement stable (560 - 570 p. S/cm) montre un maximum entre février et avril 1988 au cours des hautes eaux de printemps. Aucun indice ne permet d'interpréter cette augmentation. Les paramètres chimiques (fig. 3.41) fluctuent dans une marge sensiblement supérieure à l'erreur de reproductibilité des mesures, sans toutefois montrer des variations temporelles interprétables. Interprétation: Ce système d'Onnens comporte deux composantes d'eau dont la proportion stable du mélange n'est que rarement influencée par les variations de l'état hydraulique, à cause probablement de la faible perméabilité des terrains aquifères. Si l'on considère que la composante d'eau ancienne au captage est de type Mg-Ca-HCQ^. exempte de Tritium (eau du Burdigalien, cf. Partie 1), on peut calculer les valeurs suivantes d'un mélange de 40 % d'eau ancienne et 60 % d'eau moderne: Composante d'eau mélange K20 [|iS/cm] 565 Ca++ [mg/1] 93 Mg++ [mg/1] 25.5 NO3-[mg/1] 18 Ci-[mg/1] 12.3 "ancienne" 420 50 33 1 1 "moderne" 661 122 7.4 29 20 Ce simple calcul approximatif montre que la composante récente de l'eau est fortement tributaire des atteintes de l'agriculture. Le bassin versant de cette source contient en effet approximativement 50 % de surface cultivée ou construite. 6.4 La source G3 du Graboz à la Tuffière: Sillon graveleux La source G3 est l'un des nombreux exutoires naturels de l'aquifère de la Tuffière dans la zone sourcière du Grabe. On trouve une description de détail en Partie 2. Sur plus de 500 m à l'amont du captage, l'aquifère est surmonté d'une zone non saturée de 30 à 50 m d'épaisseur, constituée de graviers et de moraine. La source G3 est tributaire uniquement des variations naturelles de l'alimentation par les précipitations. Durant la période d'observation (novembre 1984 à octobre 1988) ont eu lieu un essai de traçage (fig. 2.18) et plusieurs essais de pompage (durée d'une à six semaines, cf. fig. 2.23) qui ont provoqué quelques perturbations instructives. Le débit (fig. 3.42) fluctue de manière saisonnière en fonction des pluies efficaces avec des maxima entre avril et juin et des minima entre décembre et février. La réponse maximale des débits (ou des potentiels) est décalée de l'ordre de 45 à 50 jours pour le débit total de la zone sourcière (fig. 2.26) et de 30 à 60 jours pour la source G3 (fig. 3.37). Durant la période d'observation, 4 essais de pompage important ont lieu dans les puits Fl, F2, F6 et FG (fig. 2.18), situés entre 600 et 700 m à l'amont du captage. Ils ont provoqué presque instantanément des baisses de débit à la source et, avec systématiquement 50 à 60 jours de décalage, une diminution de la conductibilité électrique de l'eau. Ce temps est exactement celui du transfert de colorant lors d'essais de traçage depuis les mêmes puits (tabi. 4). Il montre que la perturbation a lieu à l'endroit de l'essai de pompage et qu'elle se transmet en direction de la source à la vitesse de déplacement de l'eau. Il montre aussi que la masse d'eau stockée au sein de l'aquifère n'est pas homogène. Contribution à l'étude des eaux souterraines de la région de Fribourg 210 Troisième partie: Eaux souterraines de la région... „ Source G3 Graboz à Posieux =- 10.6 "B) 10.4 - Ë 10.2- ~ 10.0 - O) 9.8" 9.6 MTTTTm r—1"T11I1T-r i i i i i i i-i—i-i-i—r i i i i—i—i—< i ' i i i i pi-T i t i i ¦ i—t-i--<-v S ONDJJ t M A MJ J AS 0 H D|j FMAMJ J AS 0 N D|j FMAMJJ AS 0ND|J TM/, MJJ AS OH Dl1 1964 1985 1986 1987 1988 Fig. 3.42: Source G3 de la zone du Grabe à la Tuffière: Evolution temporelle des pluies efficaces sur le bassin versant, du débit, de la conductibilité électrique, du O18O, du Tritium et du Mg++ de 1984 à 1988. Contribution à l'étude des eaux souterraines de la région de Fribourg Troisième partie: Eaux souterraines de ta région... 211 L'Oxygène-18: Entre 1985 et mai 1987, on observe une variation sinusoïdale des 318O, avec maxima entre janvier et février et minima entre juin et juillet (la mesure de juillet 1987 est probablement influencée, comme la conductibilité électrique, par un essai de pompage). Entre septembre 1987 et mars 1988, on n'observe pas de fluctuation significative d'l80. Entre mai et août 1988, une augmentation de plus de 2 °/oo a Heu. Nous expliquons cette évolution par l'effet d'une double perturbation des entrées d'180: Durant les années 1984 à 1986, il y a une très nette différence entre les 518O des pluies hivernales (-12 à -15 °/oo) et estivales (-4 à -7 °/oo). Cette évolution "normale" provoque une fluctuation sinusoïdale des 318O à l'exutoire. Durant l'hiver 1986-1987 a lieu une première perturbation des entrées (fig. 3.30); Les 318O des pluies restent dans une fourchette étroite comprise entre -10.5 et -12.5 °/oo (de novembre 1986 à avril 1987, fig. 3.30) au lieu de descendre en dessous de - 12.5 %o. Puis a lieu une deuxième perturbation: La fin du printemps et l'été 1987 sont très humides, particulièrement les mois de mai et juin au cours desquels a lieu une très forte alimentation des aquifères avec une eau dont le 3 * 8O est compris entre -8.5 et -9.5 %>o, puis juillet (-7.5 - -7.7 °/oo) et août (-5 %o), encore très humides. D'autre part, les valeurs d'18 O à la source commencent à augmenter durant le mois d'avril 1988 alors que le 3*80 des pluies sont encore inférieurs à - 10.0 %o. Les deux perturbations citées ont provoqué l'évolution particulière des 318O à l'exutoire entre septembre 1987 et juillet 1988, c'est à dire pour la perturbation 1: stagnation des 3* 8O à la source entre juillet 1987 et janvier 1988; pour la perturbation 2: augmentation rapide et importante des 318O à la source entre mai et août 1988. On observe ainsi les décalages suivants entre les infiltrations et les sorties du système: Période d'infiltration signal max. à la sortie décalage 6 - 8 1987 7 1988 340 - 380 jours (forte hydraulicité) 2 - 3 1987 2 - 3 1988 340 - 380 jours (forte hydraulicité) 3 - 5 1986 5 - 6 1987 390 - 450 jours (hydraulicité moyenne) 6 - 8 1985 12 86 - 1 87 500 - 580 jours (faible hydraulicité) 2 - 3 1985 7 1986 500 - 580 jours (faible hydraulicité) 9 1984 1 - 2 1986 500 - 550 iours (hydraulicité moyenne) A l'exutoire, l'onde d'infiltration de mai à août 1987 joue le rôle de marqueur des eaux d'infiltration grâce à laquelle il est possible de recaler les autres périodes d'infiltration. Au cours d'une étape ultérieure, l'utilisation de ces données devrait permettre de modéliser le transfert global des entrées en direction de l'exutoire ainsi que de développer la notion de temps de séjour souterrain à partir des données d'180 (cf. § 5.3). Le Tritium diminue rapidement de 58 UT en février 1985 à 33 UT en mai 1988, avec des variations temporaires ou saisonnières significatives Elles sont probablement causées, comme les variations de conductibilité électrique, par l'arrivée à l'exutoire de deux composantes d'eau légèrement différentes en fonction de l'état Contribution à l'étude des eaux souterraines de la région de Fribourg 212 Troisième partie: Eaux souterraines de la région... hydraulique du système, plus riches en Tritium lors de hautes eaux et inversement en basses eaux. Pour l'identification de ces composantes, il faudrait procéder à un plus grand nombre d'analyses. Le temps de séjour souterrain moyen des deux mélanges d'eau, calculé à l'aide du modèle exponentiel est compris entre 5 ans (mélange de basses eaux, sur Ia base des valeurs du 28.10.85, du 1.11.86 et du 10.2.89, 33.0 UT) et 8 ans (mélange de hautes eaux, sur la base des valeurs du 12.2.85, du 9.6.86, du 29.3.88 et du 31.5.88). La conductibilité électrique: Mesuré à un rythme bimensuel, ce paramètre montre 3 types de variations temporelles: - Variations temporaires avec une période de l'ordre de 15 à 60 jours, - Variations saisonnières avec maxima entre juillet et décembre et minima entre janvier et juin, - Variations interannuelles avec des valeurs plus élevées (600-615 |iS/cm) en 1984 et 1985 et des valeurs plus faibles (590-605 u,S/cm) à partir de 1986. De nombreuses variations temporaires peuvent être attribuées aux effets des essais de pompage. Les autres variations temporaires résultent de divers phénomènes pas toujours maîtrisés (par exemple, problèmes d'appareillage entre novembre 1984 et mars 1985, puis en août 1986), Les variations saisonnières relativement importantes en amplitude sont probablement causées par les variations temporelles de l'état hydraulique du système pour les deux raisons suivantes: Abstraction faite des variations interannuelles, les fluctuations saisonnières de K20 apparaissent systématiquement entre 3 et 4 mois après celles du débit: Une augmentation de celui-ci induisant une augmentation de K20 et vice- versa, on observe les décalages suivants: Maximum de débit: Maximum de conductibilité décalage 3 1988 6 1988 90-100 jours 6 1987 9 - 10 1987 90 - 130 jours 5 1986 9 - 10 1986 120 - 150 jours 4 1985 8 - 9 1985 120 - 150 jours Minimum de débit: Minimum de conductibilité décalage 11 1987 2 - 3 1988 90 - 120 jours 12 86 - 1 87 (étiage?) 1 1987 0 jour 12 85 - 1 86 4 - 5 1986 120 - 150 jours - En état de basses eaux imposées temporairement par pompage, on observe le même phénomène d'influence: diminution systématique de la minéralisation 50 à 60 jours après une baisse du niveau piézométrique. A l'exutoire, la variation des proportions du mélange entre les deux composantes d'eau observées se répercutent probablement aussi sur les 31^o mais pas suffisamment pour masquer les fluctuations de ce paramètre dues à son évolution temporelle dans les eaux d'infiltration. En effet, au contraire de la K20, on Contribution à l'étude des eaux souterraines de la région de Fribourg Troisième partie: Eaux souterraines de la région... 213 n'observe pas de dépendance du 31^O de l'eau par rapport au débit. De plus, les deux composantes d'eau peuvent être marquées par d'importantes différences chimiques et de Tritium mais pas d'180, puisqu'elles proviennent d'un même bassin versant. Il est délicat d'interpréter les fluctuations interannuelles de conductibilité, faute d'observations portant sur une période significative. Les paramètres chimiques: Le seul paramètre chimique mesuré qui montre des variations temporelles significatives et interprétables est le Mg++ (fig. 3.42), dont l'évolution suit strictement celle de la K20. Il y a donc, suite aux crues, l'arrivée à la source d'une eau plus minéralisée et riche en Mg++ . Cette eau provient probablement des limons et argiles interglaciaires sous-jacents aux graviers aquifères (eaux d'infiltration "retardée"). En effet, ce type de sédiment contient des eaux riches en Mg++ (cf. Partie 2, § 5.3). Consécutivement à une période de basses eaux, cette composante retardée diminue en proportionnellement à la source. Cette observation démontre que l'aquifère des graviers de la Tuffière, dans la zone sourcière du Grabe, a tendance à devenir perché en basses eaux avec drainance vers le bas (diminution de la contribution des terrains sous-jacents aux écoulements souterrains, cf. fig. 2.27 et 2.28). 6.5 La source SZ à Schwarzenburg: Terrasse graveleuse La source de Stolzenmùhle se situe au point de coordonnées 593.500/185.500, altitude 770 m, 600 m au N-E de Schwarzenburg. Elle est propriété des services industriels de la ville de Berne. Elle est l'exutoire naturel le plus important de la terrasse graveleuse de Schwarzenburg qui repose sur les grès du Burdigalien, d'une part, et, d'autre part, sur des argiles lacustres. Le débit (fig. 3.43 et 4.1): Mis à part les épisodes de recharge exceptionnelle, le débit réagit très mollement et avec un retard de plus de 30 jours sur les pluies efficaces de printemps. Les épisodes temporaires d'alimentation ne se marquent pas sur la chronique des débits. Le Tritium diminue progressivement de 49 UT en mai 1987 à 42.8 UT en février 1989, sans fluctuation saisonnière significative. Il n'y a donc par rapport au Tritium, qu'une composante dont le temps de séjour souterrain moyen calculé s'élève à 10 ans. L'Oxygène-18 suit une évolution temporelle similaire à celui de la source G3 (§ 6.4) avec une augmentation 0.2 %o entre juin et juillet 1988, annonçant l'arrivée de l'onde d'infiltration de mai à août 1987. Pour les mêmes raisons qu'à la source G3, l'évolution temporelle des 91^O peut être attribuée de manière prépondérante à une variation temporelle de la qualité des infiltrations et non à un mélange d'eaux différentes au sein de l'aquifère. Les retards de 31^O constatés à la sortie du système sont les suivants: Période d'infiltration signal max. à la sortie décalage 6 - 7 1987 6 - 7 1988 350 - 380 jours 2 - 3 1987 4 - 5 1988 380 - 420 jours 7 - 8 1986 9 - 10 1987 380 - 420 jours 2 - 3 1986 2 1987 350 - 380 jours Contribution à l'étude des eaux souterraines de la région de Fribourg 214 Troisième partie: Eaux souterraines de la région... Source SZ Stolzenmühle de Schwarzenburg K20 [jiS/cmJ 0-18 TemPs de séjour ïO ans [Jl Tritium [UT] -T—I—1----1----1—I----1-----I—I-----I—I----1—I—I-----1----1-----1—I—l----1----1----T" J FMAMJ J ASONDJ FMAMJJ AS ON 1987 2000 -10.90 1988 Fig. 3.43: Source SZ à Schwarzenburg: Evolution temporelle des pluies efficaces sur le bassin versant, du débit, de la conductibilité électrique, du 318O et du Tritium en 1987 et 1988. Contribution à l'étude des eaux souterraines de la région de Fribourg Troisième partie: Eaux souterraines de la région... 215 j-- ¦¦**....."¦••-¦.,•••••'"¦•••¦-_.. 325 300 275 250. 15 14 13 D.totale : g " ü • nt : O D.temp. : ^ '........: E *- .+ -110 Ca++ [mg/1] - iqo u90 Mg++ [mg/1} 2.6 2.4 2.2 2.0 15 H 13 K+ (mg/1] - Cl-[mg/1] J 'F1M1A4M1J 'j'a's'oVdIjVmVmVjVs 1987 1988 Fig. 3.44: Source SZ à Schwarzenburg: Evolution temporelle des paramètres physico-chimiques de l'eau entre 1987 et 1988. Contribution à l'étude des eaux souterraines de la région de Fribourg 216 Troisième partie: Eaux souterraines de la région... Source PA Haches de Payerne E 0 E 10 20 O 13 30 A 40 0) SZ 50 a» 60 U ca 70 U 80 1000 T—i—r~n—i—r—i—i—i—i—ï—i—i—i—i—i—i—i—i—i—r J FMAMJ J AS ONDJ FMAMJJ AS ON 1987 1988 Fig. 3.45: Source PA à Grandsivaz: Evolution temporelle des pluies efficaces sur le bassin versant, du débit, de la conductibilité électrique, du 318O et du Tritium en 1987 et 1988. Contribution à l'étude des eaux souterraines de la région de Fribourg Troisième partie; Eaux souterraines de la région... 217 La conductibilité électrique et les paramètres chimiques (fig. 3.44): La conductibilité électrique montre des variations saisonnières avec maxima au printemps et minima en automne. Les duretés, le Ca++ et le NO3" particulièrement, évoluent de manière synchrone et en phase avec la K20. Les autres paramètres chimiques restent dans la fourchette de reproductibilité des mesures, à l'exception du K+ dont les variations sont importantes, similaires à celles des paramètres de la minéralisation et au NO3" mais surviennent avec 60 à 90 jours de retard (diffusivité plus grande). Il est rare d'observer une variation saisonnière de K+ et de NO3" aussi importante et régulière. On peut l'attribuer à l'utilisation de nitrates de potasse comme engrais sur les champs cultivés de la terrasse de Schwarzenburg. La terre y étant très légère (absence de couverture morainique ou argileuse sur les graviers aquifères), le K+ se voit moins facilement piégé et échangé au cours de son trajet souterrain. Les autres sources de K+ et de NO3" (pollutions ponctuelles) sont à exclure car elles induiraient les variations d'autres paramètres sensibles tels que Na+ et Cl". L'utilisation d'engrais ainsi que l'augmentation de l'activité biologique et la production de CO2 dans le sol, durant la belle saison provoque une augmentation de la minéralisation des eaux d'infiltration. Les maxima des ondes d'eau plus minéralisées, infiltrées l'été et moins chargées d'hiver provoquent les variations saisonnières de la minéralisation à la source et y arrivent avec un retard de l'ordre de soit 7 à 8 mois, soit 19 à 20 mois (un cycle plus tard). Sur la base des temps de transfert réels déduits de T1^O, il serait logique que l'onde minéralisée arrive avec un retard plus grand que 12 mois. Cependant, d'autres facteurs que nous ne maîtrisons pas complètement (distribution géographique des infiltrations) ne nous permettent pas de définir exactement ces temps de passage. 6.6 La source PA des Haches: Alluvions graveleuse La source des Haches, située 1 km à l'ouest du village de Grandsivaz, au sud de la route Fribourg - Payerne. Il s'agit d'un drain d'une longueur d'environ 1 km, situé entre les points 563.450/181.050 et 564.100/181.900, implanté entre 2 et 4 mètres de profondeur dans les alluvions sablo-graveleuses de retrait wiirmien. La puissance de ces alluvions ne devrait pas excéder 5 m. Elles surmontent probablement sur toute leur étendue, une moraine de fond wiirmienne. Depuis octobre 1987, cette source est équipée, dans le cadre du projet ISHYDRO, d'une installation de mesure en continu du débit, de la température et de la conductibilité électrique. Le débit (fig. 3.45) réagit promptement avec 1 à 5 jours de retard à chaque épisode d'infiltration. L'évolution interannuelle des débits (fig. 3.1) montre que ces variations temporaires se greffent sur un régime interannuel plus amorti du type de la source SZ. L'Oxygène-18: L'évolution de T1^O est tout à fait spectaculaire et significative: Elle épouse une allure sinusoïdale saisonnière avec maxima entre janvier et mars et minima entre juin et août. Elle montre un décalage de 200 à 250 jours sur les valeurs observées dans les pluies. Les pluies à haut O1^O de mai-juin 1987 se retrouvent à Ia source entre février et mars 1988! Sur ces variations saisonnières se greffent de petites fluctuations temporaires lors d'épisodes d'alimentation importante. Les variations saisonnières de 31^O semblent de produire de manière synchrone à celles de la conductibilité électrique. Le Tritium: Les valeurs de Tritium diminuent progressivement de 42 TU en début 1987 à 37 UT en fin 1988. Elles ne montrent pas d'évolution saisonnière significative. Sur la base de ces mesures, le temps de séjour moyen calculé est de l'ordre de 8.5 ans. Contribution à l'étude des eaux souterraines de la région de Fribourg Troisième partie: Eaux souterraines de la région... WO. -HOAl «ft --9.71 900. - sa - 800. - 750. - 7C0. - 650. - 6CC - -7.75 -750 550. - 500. -' 450. -" 400. - -WS sx. -i-isa -«50 -MS -WO -A 75 -UO -121 -400 640. -r O. 630. I m TTTTTTT CCBT l|[| MMI IMI M Mill NIMH I I Mil II H II MIMIMI M II II IMI Hill I Octobre 1988 'Novembre 1988 OO [mfcroS/an) FUK JOUWUK (m) DATE UADD PAYERNE SOURCE HACHE, 1988 540. 530. -Mi S -3a * -50. OfIH n-WC-890 SOO. -I-«» 650. SOO. 750. 7». ESC «M. 550. 500. 450. 400. 350. 300. -9.75 H50 S -US -SM -B-75 -a» -&2S ¦400 -7.75 -7J0 - -725 ftATUÎ _,_,. FUC MADD PAYERNE SOURCE HACHE, 1990 uni un ni iiiiiiiuiniiiiiiii iiiiiiiiiiiiiHiiiiiiiiiiiiiii iiiiiiiiiii|iiiMNji 1 Février 1990 'Mars 1990 ¦ Avril 1990 KBfI (IAm] ..... OO [rricroS/gn] _ ^ DATE [un) 640. -j-ft 630 - -C — sia - -2a I six - -30. tf 580. - -60. »sa am. 7>«jc-s9o Fig. 3.46 a) et b): Evolution temporelle de la conductibilité et de la température au cours de deux crues exceptionnelles d'automne 1988 (a) et d'hiver 1990 (b). Contribution à l'étude des eaux souterraines de la région de Fribourg Troisième partie: Eaux souterraines de la région... 219 La conductibilité électrique comme le débit, montre deux régimes de variation: un premier régime temporaire durant chaque crue où l'on constate un accroissement presque instantané du paramètre avec la montée de débit; un second régime saisonnier avec des maxima entre octobre et février et des minima entre mai et août. La température: évolue de manière sinusoïdale au cours de l'année, avec un maximum en octobre et un minimum en mars-avril. Cette variation régulière est expliquée par la situation du drain qui forme le capiagc, situé entre 2 et 4 mètres de profondeur. Cette évolution saisonnière régulière montre des perturbations au cours d'épisodes importants d'alimentation (une à deux fois par an). En été et en automne, une forte alimentation se fait sentir par une brusque hausse de la température (fig. 3.46 a) et inversement en hiver et au printemps (fig. 3.46 b). Dans les deux cas, cette perturbation est accompagnée d'une baisse de la conductibilité électrique durant 1 à 2 heures puis d'une brusque augmentation de celle-ci. L'eau devient alors turbide. Les paramètres chimiques (fig. 3.47): Les valeurs de Dto, TAC et Ca++ suivent l'évolution saisonnière des K20. Par contre Mg++ et K+ évoluent de manière inverse à ces paramètres. NO3' et Cl" évoluent de manière sinusoïdale et significative au cours de l'année mais avec des maxima qui n'ont pas lieu en même temps: - NO3": maxima au printemps et minima en automne, - Cl": max. en 3 1987, 12 1987 et 8-9 1988 et min. en 7 1987 et 3-4 1988. Il y a une diminution progressive des nitrates due aux mesures de prévention prises sur le terrain. Na+ ne montre pas de variation temporelle significative. Interprétation: Au cours de chaque période d'alimentation de l'aquifère, on constate l'arrivée prépondérante au captage d'une eau plus minéralisée. Cette composante peut avoir deux origines. D'une part, elle peut provenir de l'infiltration au travers du sol forestier qui recouvre la plus grande part du drain de captage. D'autre part, elle pourrait être issue de la partie amont du captage qui draine une part de terrains agricoles. Au cours des épisodes exceptionnels d'alimentation qui ne surviennent qu'une à deux fois par an, ont lieu des by-pass rapides, c'est à dire l'arrivée presque directe de l'eau de surface à la source (brusque baisse de la minéralisation et variation rapide de la température). La durée de ces by-pass ne peut pas être déduite des enregistremeuts car la diminution de la conductibilité électrique qu'ils génèrent se voit rapidement compensée par l'arrivée à l'exutoire de la composante plus minéralisée. Leur débit relatif peut se calculer sur la base de l'amplitude de la chute de conductibilité qu'ils génèrent et de la conductibilité estimée de l'eau de surface. Les variations saisonnières d'^O permettent de définir le temps d'arrivée moyen au captage des différentes ondes d'infiltration saisonnières (200 - 250 jours). Les variations saisonnières de minéralisation sont influencées, comme les variations temporaires de ce paramètre, par l'effet d'arrivée à l'exutoire de deux composantes d'eau différemment minéralisées en fonction du débit, la composante de basses eaux étant moins minéralisée et plus riche en Mg++. Contribution à l'étude des eaux souterraines de la région de Fribourg 220 Troisième partie: Eaux souterraines de la région... 1987 1988 Fig. 3.47: Source PA à Grandsivaz; Evolution temporelle des paramètres physico-chimiques de l'eau entre 1987 et 1988. Contribution à l'étude des eaux souterraines de la région de Fribourg Troisième partie: Eaux souterraines de la région... 221 6.7 La source de la cascade de Jaun: Karst des Préalpes Située au point 587.625/162.035, à 1'0OO m d'altitude, la cascade de Jaun est une résurgence karstique dont le débit fluctue de 0.2 jusqu'à plus de 10 m^/seconde. Elie est l'un des exutoires naturels qui drainent le synclinal du Vanil-Noir (point culminant, 2'390 m, fig. 3.48). Son bassin versant s'étend du SW au NE sur une longueur de 15 km et une largeur maximale de 2 km (MÜLLER et PLANCHEREL, 1982, SCHOUWEY, 1989, 1990). Le débit réagit très promptement aux impulsions des infiltrations. Nous avons voulu savoir si les fluctuations physico-chimiques observées au cours d'une crue devaient être attribuées à l'arrivée de l'eau fraîchement infiltrée. Fig. 3.48 tirée de MÜLLER et PLANCHEREL (1982): Esquisse hydrogéologique et structurale de la région du Vanii Noir (Préalpes fribourgeoises). La fig. 3.49 représente l'évolution du débit, de la température, de la K20, de i'ion SO4" et de 1'18O au cours de la période du 27.7.89 au 17.8.89. Une crue de 2.5 m3/s a eu lieu suite aux pluies du 10.août. Le débit réagit très promptement avec 2 à 6 heures de retard sur la pluie. Cependant, certains épisodes de pluie jusqu'à 20 mm/jour à la station de mesure (située au milieu du bassin versant de Ia source) ne se répercutent pas sur les débits (distribution inhomogène des pluies). La température: Chaque augmentation de débit se traduit instantanément par une chute de la température. Passée la crue, la température augmente à nouveau progressivement vers une valeur limite de 7.1°C. La conductibilité électrique: Suite à chaque épisode de crue, on observe une augmentation de la conductibilité, suivie d'une diminution dont le temps d'arrivée dépend de l'importance de la crue. Le volume d'eau écoulé depuis le début de la crue, jusqu'à la baisse de conductibilité est pour chaque crue de 60'000 à 120'000 m3. Contribution à l'étude des eaux souterraines de la région de Fribourg 222 Source de la cascade de Jaun E E1 OJ S a. 0 10 20 30 40 50 60 70 80 500 450 Débit [l/sec] sjsyss Débit nouvellement infiltré - 2000 ^L -1000 ,-1 , J J t JTT 3000 7.1 - -11.5 --12.0 -12.5 30 1 Juillet Août 1989 Fig. 3.49: Source de la Cascade de Jaun: Evolution temporelle des pluies journalières sur le bassin versant, du débit, de la température, de la conductibilité électrique, du 31^O et de l'ion SO4" durant le mois d'août 1989. La décomposition de l'hydrogramme (débit nouvellement infiltré) est calculée sur la base des valeurs moyennes d'180 de l'eau de pluie (-7.0 %o) et de l'eau de l'aquifère (-11.5 %>o). Contribution à l'élude des eaux souterraines de la région de Fribourg Troisième partie: Eaux souterraines de la région... 223 L'ion SO4" évolue de manière synchrone à la conductibilité électrique. L'Oxygène-18: mesuré dans les pluies qui ont provoqué les crues, a les valeurs suivantes: Date: 918O r°/ool 8.août, début de l'orage -6.33 8.août, milieu de l'orage -6.64 8.août, fin de l'orage -8.52 Avant la crue du 10 août, l'eau de la source a des valeurs comprises entre -11.3 et - 11.8 %>o. A la suite de cette crue, ces valeurs augmentent progressivement de 1.5 °/oo, jusqu'au 14 août. Cette augmentation s'amorce en même temps que la chute de conductibilité électrique. Elle finit aussi lorsque la K20 commence à augmenter à nouveau, le 17 août. Interprétation: A l'exutoire de la Cascade de Jaun, on peut distinguer les deux composantes d'eau suivantes, dont les proportions varient en fonction de hydraulicité: - Une eau riche en SO4" (> 60 mg/1), avec une minéralisation relativement haute (> 380 (iS/cm) et une température supérieure à 7°C, apparaît en étiage (débit < 300 1/s). Son a18O (-11.3 à - 11.8 %o) devrait refléter une valeur moyenne des eaux de l'aquifère en été. - Une eau peu minéralisée (250 - 280 u.S/cm, SO4" < 5 mg/1). A Ia suite d'une crue survenant en période d'étiage, la première composante est poussée vers l'exutoire par effet piston, vidant les conduits karstiques envahis d'un volume de 60 à 120 • 103 m3 de cette composante dont la température s'était équili- brée avec celle de la roche, plus froide. Par la suite arrive la deuxième composante dont on ne connaît pas le 318O. Si on estime ce E)18O à -11.5 °/oo (égal à celui de Ia première composante) et connaissant celui des eaux de pluies (-7 °/oo en moyen- ne), on calcule la proportion du débit tributaire des infiltrations récentes (cf. An- nexe B et fig. 3.49). On constate que cette contribution est faible (15 à 30 % à partir du moment ou la K20 descend en dessous de 280 u.S/cm). Dans le cas de la crue du 10 août, la plus grande proportion d'eau fraîchement infiltrée arrive à l'exutoire 5 à 6 jours après la pluie. Il n'est pas possible que la baisse des K20 observée après l'effet piston soit uniquement dû à la dilution des eaux d'étiage (380 - 400 u,S/cm) par celles de la pluie (environ 50 jiS/cm) car la contribution de cette dernière serait de 60 %, valeur incompatible avec celle de 15 à 30 % déduite des mesures d'180. Conclusion: Il existe une deuxième composante d'eau, peu minéralisée et exempte de sulfates, qui ne participe pas ou très peu aux écoulements à la source en période d'étiage. En basses eaux, cette composante est progressivement refoulée hors de la zone d'exutoire par une eau plus minéralisée (composante 1). La chute de minéralisation consécutive à une crue ne dépend pas seulement de Ia dilution des eaux de l'aquifère par celles de l'infiltration récente mais aussi de l'évolution des mélanges, en fonction de l'état hydraulique du système. 6.8 Conclusion Le suivi physico-chimique et isotopique des eaux souterraines a permis de mieux connaître et caractériser les systèmes sous les aspects suivants: - mécanismes induisant des variations de la qualité des eaux, - mécanismes de stockage et de transfert au sein des aquifères, Contribution à l'étude des eaux souterraines de la région de Fribourg 224 Troisième partie: Eaux souterraines de la région... On peut distinguer quatre mécanismes induisant les variations temporelles de la qualité physico-chimique et isotopique des eaux: a) L'arrivée à la source de l'onde d'infiltration lors d'épisodes temporaires ou saisonniers d'alimentation par les pluies, les eaux de surface ou d'autres types d'eau souterraine, induisant les phénomènes suivants: - dilutions, apports de traceurs spécifiques et perturbations des températures presque instantanés lors de by-pass, - dilutions ou apports de traceurs spécifiques différés dans le temps par rapport aux débits (quelques jours pour la source de la cascade à plus d'un an pour les sources G3 et SZ), en fonction des caractéristiques de l'aquifère. Le suivi en continu du débit, de la température, de la conductibilité électrique et de la turbidtté permettent de mettre en évidence les by-pass. L'18 O permet, par son suivi, de déterminer à la source, le temps de trajet moyen de l'onde d'infiltration, à la manière d'un traçage global du système. En suivant des épisodes particuliers de perturbation des entrées (période de mai-juin 1987, par exemple) on peut mettre en évidence le temps d'arrivée à la source d'une onde d'infiltration saisonnière ou temporaire. b) L'arrivée à l'cxutoire, en fonction de l'état hydraulique du système, de deux ou plusieurs composantes d'eau. L'effet de ce mécanisme est une fluctuation synchrone des paramètres, en phase, en inversion de phase ou avec un décalage temporel systématique par rapport au débit. Cet effet apparaît clairement dans les sources de la Tuffière (cf. Partie 2, § 5.5). Les variations physico-chimiques induites par ce mécanisme sont souvent plus importantes que celles occasionnées par l'arrivée d'une onde fraîchement infiltrée. Cependant, il semble que ce mécanisme a souvent peu d'effets sur 1'18O si les deux composantes d'eau en question sont issues d'un même bassin versant. c) L'apport de composants étrangers au système naturel ou la dégradation de ceux- ci (exemples: Tritium, NO3"...). d) Les variations climatiques interannuelles causant une évolution à longue période sur la qualité physico-chimique et isotopique des eaux (cf. source G3). A ce sujet, dans le cadre du projet "ISHYDRO", il sera instructif d'étudier les effets des années sèches 1989 et 1990 par rapport aux années humides 1987 et 1988 sur la qualité des eaux souterraines suivies (ZWAHLEN et al, 1990). Mécanismes de stockage et de transfert d'eau au sein de l'aquîfère: L'étude isotopique fournit les meilleures informations concernant ces mécanismes. La fonction de déplacement de l'eau diffère très nettement de celle de la transmission hydraulique (réponse impulsionnelle). Le temps de réponse de la première étant de l'ordre de 5 à 10 fois supérieur à celui de la seconde. Le temps de séjour souterrain moyen de l'eau peut donner des information sur la fonction de stockage de l'aquifère. Dans les eaux récentes étudiées, la méthode du Tritium est la plus communément appliquée (cf. § 5.4). Sur la base de l'évolution des 318O, il est aussi possible, dans certaines conditions, de définir un temps de séjour souterrain (cf. § 5.3). On s'est rendu compte que le suivi régulier des duretés (Dto et TAC), dans l'eau des aquifères de la molasse et du Quaternaire, n'a jamais apporté de meilleurs ou d'autres résultats que celui de la conductibilité électrique. Le suivi "en continu" du pH et de l'Oxygène dissous parallèlement à celui de la conductibilité électrique et de la température devrait permettre de fournir de bons renseignements sur le fonctionnement des systèmes à transfert rapide. Contribution à l'étude des eaux souterraines de la région de Fribourg Troisième partie: Eaux souterraines de la région... 225 7 Conclusion. L'étude des caractéristiques physico-chimiques (1015 analyses) et isotopiques (479 analyses d'^O ou d'^H) des eaux de 170 points d'eau de la région située entre les Préalpes fribourgeoises et le lac de Neuchâtcl a permis d'acquérir des informations dans les domaines suivants: - Etude des teneurs moyennes des paramètres physico-chimiques principaux des eaux souterraines en fonction de la géologie des terrains aquifères et du type d'occupation du sol en surface des bassins versants. - Détermination des traceurs naturels spécifiques des divers terrains aquifères. - Etude de l'origine des corrélations significative entre éléments physico- chimiques. - Etude de divers facteurs qui influencent la qualité physico-chimique et isotopique de l'eau souterraine. - Recherche de relations entre le temps de séjour souterrain de l'eau et ses caractéristiques physico-chimiques. - Etude de la relation entre le le 31^O des eaux souterraines et l'altitude des bassins versants; étude de certains facteurs pouvant modifier cette relation. - Etude d'une méthode de détermination du temps de transit souterrain de l'eau au moyen de T1^O. - Etude des variations temporelles des caractéristiques physico-chimiques des eaux souterraines et détermination de facteurs conditionnant ces variations. Recherche de paramètres significatifs pour l'étude des systèmes hydrogéologiques. - Essai de différenciation des composantes d'eau souterraine. Contribution à l'étude des eaux souterraines de la région de Fribourg SYNTHESE Synthèse 111 SYNTHESE L'étude des eaux souterraines de la région située entre les Préalpes fribourgeoises et le lac de Neuchâtel est à la fois monographique et thématique. Par une approche monographique, nous avons décrit quelques systèmes hydrogéologiques (particulièrement celui de la Tuffière) et étudié leur fonctionnement à l'aide d'investigations hydrodynamiques, physico-chimiques et isotopiques. D'autre part, en régionalisant nos observations, nous avons établi les caractéristiques physico-chimiques et isotopiques des eaux souterraines issues des terrains quaternaires, de la molasse et de diverses formations des Préalpes. On distingue deux types d'aquifcrc molassique. L'aquifère dit épidermique et peu profond contient une eau récente, très proche, dans ses caractéristiques, -de celles du Quaternaire. Les écoulements y sont principalement de type local. L'aquifère profond de la molasse contient une eau tout à fait particulière, ancienne, exempte de Tritium. Les écoulements y sont principalement régis par les systèmes régionaux. L'approche thématique a permis de tirer des informations sur le comportement et la signification des traceurs physico-chimiques étudiés, dans le but plus général de mieux connaître le fonctionnement des systèmes hydrogéologiques. Nous avons voulu, entre autres, apporter modestement quelques éléments de réponse aux questions suivantes: - Quelle est la signification des teneurs mesurées et des moyennes régionales? Quel est l'ordre de grandeur de la variabilité temporelle et spatiale des paramètres physico-chimiques et isotopiques observés? - Quels facteurs influencent la qualité physico-chimique et isotopique de l'eau? Quels sont les traceurs géochimiques des divers terrains? Y a-t-il des phénomènes particuliers de transformation du chimisme de l'eau souterraine? Quel est l'impact des influences anthropogènes sur les paramètres observés. - D'où provient l'eau souterraine? Quelle est l'altitude moyenne du bassin versant d'une source? Y a-t-il une, deux ou plusieurs composantes d'eau au sein d'un système? Peut-on quantifier les relations entre divers types d'aquifères? Quels sont les types de terrains traversés? Quel est l'impact d'une alimentation par les eaux de surface sur la qualité de l'eau souterraine? ¦ Comment se déroule le transfert d'eau au sein du système? Peut-on déterminer la vitesse de propagation de l'eau depuis la surface jusqu'à l'exutoire et la présence de by-pass? - Où et comment a lieu le stockage de l'eau dans le système? Quels sont les temps de séjour souterrain moyen des eaux et comment peut-on les déterminer? L'étude des traceurs naturels peut-elle donner des informations sur le lieu de stockage de l'eau souterraine? Caractéristiques des eaux souterraines. Sur le Plateau, les eaux du Quaternaire et des aquifères épidermiques de Ia molasse sont essentiellement issues de systèmes d'écoulement locaux. Elles sont parfois aussi partiellement issues de la décharge diffuse de systèmes d'écoulement régionaux. Elles possèdent toutes un faciès bicarbonaté calcique (provenant de Ia dissolution des carbonates présents dans tous ces terrains) avec des teneurs plus ou moins importantes en Na+, Mg++, NO3", SO4" et Cl". Leur temps de séjour souterrain moyen (Tritium) est souvent compris entre 5 et 15 ans. D'une région à l'autre, elles montrent de grandes différences de qualité qui dépendent essentiellement du type d'occupation du sol dans le bassin versant. On observe en effet qu'indépendamment Contribution à l'étude des eaux souterraines de la région de Fribourg 228 Synthèse de l'altitude, les eaux les moins minéralisées (faibles teneurs en Na+, Ca++, HC03', NO3" et Cl") caractérisent en général des bassins versants couverts de forêts et de prairies, tandis que les eaux les plus minéralisées proviennent de bassins versants situés en zone d'agriculture intensive (augmentation systématique de Na+, Ca++, HCO3-, NO3- ou Cl"). Les ressources en eau potable sont essentiellement issues du Quaternaire. 11 en reste à découvrir, particulièrement au sein de sillons graveleux étroits et profonds et dans la molasse1. Lors de toute nouvelle prospection, particulièrement pour l'alimentation en eau de petites collectivités, nous recommandons de capter les eaux issues de bassins versants bien protégés naturellement (forêt ou prairie). Il arrive en effet trop souvent que toute une population doive s'accommoder, durant des décennies, des inconvénients d'une eau trop dure ou très riche en nitrates provenant de bassins versants situés en pleine zone agricole. Au sein de nombreux systèmes hydrogéologiques, il y a présence de deux ou plusieurs composantes d'eau. L'étude physico-chimique permet de les décomposer et de leur attribuer une origine probable. A ce sujet, le présent travail apporte des informations concrètes relatives à plusieurs aquifères de la région d'étude. L'étude du système hydrogéologique de la Tuffière a permis, entre autres, de définir 3 origines aux eaux souterraines et d'en quantifier les proportions. L'eau profonde de la molasse possède un chimisme particulier qui dépend d'une part, de la nature de la roche traversée (par exemple, augmentation de Mg++, Ca+ + , Sr+"*" et SO4-- due à la dissolution de gypse dans les niveaux argileux et gypsifères de l'Aquitanien et du Chattien). et, d'autre part, des phénomènes d'échanges ioniques, essentiellement Na+ (et Li+) au détriment de Ca++ et Mg++ dans le Chattien, l'Aquitanien et la base du Burdigalien et Mg++ (et Sr+ + ) au détriment de Ca++ dans le Burdigalien. Par les eaux peu minéralisées (380 - 450 p.S/cm), de type bicarbonaté magnésien et calciquc qu'ils contiennent en profondeur, les grès de la molasse marine supérieure (Burdigalien et probablement aussi Helvétien) constituent un important aquifère à faible perméabilité ( 3 - 5 • 10"7 m/s), très intéressant pour l'alimentation de petites collectivités (2 - 20 1/s). En aucun endroit, nous n'avons mis en évidence l'arrivée d'une eau profonde qui percolerait, à la faveur de failles, à travers les séries molassique depuis les calcaires sous-jacents. Dans les Préalpes, la qualité des eaux est très peu influencée par les activités humaines. Elle dépend essentiellement du type de formation où ont lieu le transfert et le stockage de l'eau ainsi que du temps de résidence souterrain. L'eau de la plupart des sources a un temps de séjour souterrain moyen (Tritium) inférieur à 5 ans. Il existe des systèmes à écoulement plus lent, au sein desquels les temps de séjour sont plus élevés. Les formations de flysch contiennent habituellement des eaux peu minéralisées (150 - 300 u,S/cm), bicarbonatées calciques. Les formations carbonatées contiennent souvent des mélanges d'eau qui se manifestent probablement à la faveur de failles et de décrochements. Les eaux issues exclusivement du MaIm et du Crétacé sont bicarbonatées calciques et peu minéralisées (150 - 300 u,S/cm). Les formations calcaires du Lias et du Dogger contiennent des eaux bicarbonatées calciques et magnésiennes (200 - 350 u.S /c m ). Du Trias et des formations marneuses du Jurassique sourd une eau riche en Mg++, Ca + + , Sr+"*" et S04_\ Dans les Préalpes il y a des réserves considérables d'eau souterraine, particulièrement au sein des sillons graveleux des fonds de vallées. 1 La méthode d'investigation VLF-R testée et appliquée au cours de la présente étude permet de localiser précisément des corps graveleux aquifères ou des zones de fracture. Contribution à l'étude des eaux souterraines de la région de Fribourg Synthèse 229 Dans la mesure où des méthodes permettent de les exploiter judicieusement, les réserves en eau contenues dans les écailles et synclinaux calcaires profonds (écaille des Gastlosen, synclinal de la Gruyère en particulier) pourraient constituer des ressources intéressantes. Comportement et signification des traceurs naturels. L'étude des isotopes 18O et 3H, traceurs de la molécule d'eau, permet de déduire des informations sur l'origine de l'eau et le fonctionnement des aquifères telles que l'altitude moyenne des bassins versants hydrogéologiques, le temps de transit de l'onde d'infiltration depuis la surface jusqu'à l'exutoire, le temps de séjour souterrain moyen de l'eau, les proportions de différentes composantes d'eau, etc. La concentration moyenne et l'évolution temporelle de chaque traceur physico- chimique permettent de déduire des informations sur l'alimentation, le stockage et le transfert d'eau au sein du système. Ces informations complètent ou permettent de confirmer les résultats de l'étude hydrodynamique. Les principaux facteurs influençant les paramètres physico- chimiques sont les suivants: - La nature de la roche mise en solution. Il s'agit principalement des carbonates, des sulfates et des silicates. La dissolution des carbonates est à l'origine de Ia plus grande part de la minéralisation de la presque totalité des eaux étudiées avec, comme paramètres principaux, Ca++, HCO3" et Mg+ + . De la dissolution des sulfates, présents dans les roches évaporitiques et dans certains niveaux argileux, proviennent essentiellement les ions SO4", Mg++, Ca++ et Sr++. La mise en solution des silicates n'influence que pour une faible part la minéralisation des eaux observées, essentiellement en ce qui concerne les paramètres SÌO2, Li+, Na+, K+ et accessoirement Ca++, Mg++, Cl" et P. - L'influence des activités humaines dont les plus importantes sont l'utilisation d'engrais et de fumure sur les champs (apports directs en Na+, K+, N03' et Cl" et apports indirects, par échange ou dissolution, de Na+, Ca++ et Mg+ + ), l'utilisation de sel pour dégeler les routes en hiver (apport de Na+, Cl" et parfois Ca++) ainsi que les pollutions ponctuelles par les eaux usées (Na+, K+, NO3", Cl" etc.). - L'alimentation par les eaux de surface (lac ou rivière) causant habituellement une dilution de l'eau souterraine et une baisse de la minéralisation mais aussi parfois un apport d'éléments spécifiques. - Le temps de séjour souterrain avec augmentation globale de Mg++, Li+, F" et SÌO2 et diminution du rapport Ca++/Mg++. - Les phénomènes d'échanges ioniques avec mise en solution de Na+ (et Li+) au détriment de Ca++ et Mg++ ainsi que Mg++ (et Sr++) au détriment de Ca++ dans les eaux de la molasse. Ces phénomènes ont probablement aussi lieu, de manière secondaire, dans les eaux du Quaternaire. On présume aussi une mise en solution de Na+Ct H30+ au détriment de K+ répandu sur les champs sous forme d'engrais. - Les phénomènes de dégradation (NO3" et SO4"", principalement) ou de cristallisation survenant à l'intérieur de l'aquifère et affectant les eaux qui changent de milieu et de conditions d'équilibre. Les principaux facteurs influençant la variation temporelle des paramètres sont l'évolution temporelle de Ia qualité des entrées (eaux de pluies et d'infiltration, eaux de surface etc.) ainsi que les variations de l'état dynamique du système, qui conditionnent les proportions des mélanges d'eau aux exutoires. Contribution à l'étude des eaux souterraines de la région de Fribourg 230 Synthèse L'alimentation en eau du système: Le terme d'alimentation englobe les phénomènes dynamiques d'apport d'eau à l'aquifère en fonction du temps ainsi que l'étude de l'origine de celle-ci. L'approche physico-chimique et isotopique permet, dans certains cas, de définir la région d'où provient l'eau souterraine1 ou l'altitude moyenne de la zone d'alimentation du système. Elle permet surtout d'appréhender son origine et de décomposer les proportions de diverses composantes telles que l'eau météorique (pluie efficace), l'eau de surface (de rivière ou de lac), l'eau issue d'un autre aquifère ou de l'encaissant peu perméable, de l'eau polluée, etc. Dans cette optique, il est utile de connaître les concentrations moyennes de chaque paramètre et l'évolution des valeurs relatives à certains traceurs spécifiques. Dans la région de la Tuffîère, par exemple, on peut définir 3 composantes d'eau d'origine différentes, l'eau provenant des infiltrations efficaces, directement acquises à la nappe (riches en Ca+ + , NO3" et Cl"), l'eau provenant des infiltrations efficaces, transitant par le substratum peu perméable limoneux et argileux (riches en Li+, Na + , Mg++ et Sr++ et avec un rapport Ca++/Mg + + faible) et l'eau du lac de la Gruyère, peu minéralisée, pauvre en 1^O mais riche en SO4". Le stockage d'eau au sein du système: Le terme de stockage comprend les données sur les caractéristiques physiques de l'aquifère telles que le type de formation qui tient lieu de réservoir, sa localisation, son volume, son taux de saturation et ses propriétés aquifères (porosité efficace, coefficient d'emmagasinement et capacité de rétention). Dans cette approche, l'étude physico- chimique et isotopique des eaux apporte des renseignements sur le type de formation qui constitue le squelette aquifère et le temps de séjour souterrain de l'eau. Concernant la géologie du réservoir, la liste suivante donne un aperçu des traceurs naturels des divers milieux étudiés: PLATEAU - Quaternaire: Ca++, (Mg++) et HCOr. - Grès du Burdigalien: Mg++, Sr++, Ca++/Mg++. - Base du Burdigalien: Na+, F". - Molasse de l'Aquitanien: Li+, Na+, SO4". - Molasse du Chattien: Li+, Na+, SO4", Cl", F. PREALPES - Flyschs: Faibles minéralisations (peu d'informations). - Karst du MaIm: (Ca++/Mg++), faibles minéralisations - Lias et Dogger (karst): Ca++/Mg++ - Trias et Lias marneux: Ca++, Mg++, Sr++, SO4". La localisation des réserves ne peut être ensuite déduite que de l'étude structurale des formations. On peut obtenir des informations sur le volume d'eau stocké à partir des études structurale, hydrodynamique ainsi que de la détermination du temps de séjour souterrain moyen de l'eau. Habituellement, on détermine celui-ci à l'aide du Tritium, bien que plusieurs facteurs gênent parfois cette démarche (pollutions industrielles modifiant localement les entrées de 3H, présence de deux 1 Pour la période de 1985 à 1987, on observe la relation suivante entre l'altitude moyenne du bassin versant et le d^O des eaux souterraines dont le temps de séjour souterrain moyen dépasse 5 ans: Altitude [m] = - 376.5 • 31^O -3324, qui correspond a une décroissance moyenne du 3^0 de l'ordre de -0.256 0/00 par 100 m de dénivellation. Contribution à l'étude des eaux souterraines de la région de Fribourg Synthèse 231 ou plusieurs composantes d'eau1, diminution constante des teneurs de Tritium dans les eaux de pluie etc). Nous avons mis en évidence une bonne corrélation entre le temps de séjour souterrain déduit des mesures de Tritium et les concentrations en Li+, Mg++, F" et SÌO2 ainsi qu'avec le rapport Ca++/Mg++. Nous avons montré qu'il est possible d'assurer une bonne détermination du temps de séjour souterrain de l'eau à l'aide de l'étude des variations saisonnières du 918O. En effet, plus le stockage est long, plus l'amortissement des impulsions d'entrée se fait sentir. Le transfert: L'étude des traceurs naturels fournit des renseignements d'une part, sur le déplacement de l'eau et, d'autre part, sur la nature des terrains où elle circule. Elle ne permet pas de déterminer directement la fonction de transfert dynamique des systèmes. Celle-ci s'obtient par l'étude de la relation entre les impulsions observées à l'entrée du système (pluies efficaces ou variations de niveau d'un plan d'eau) et !es variations de potentiels ou de débits à la sortie du système. Cette fonction est différente de celle relative au déplacement de l'eau (transit de la molécule d'eau depuis l'entrée jusqu'à la sortie du système) que l'on peut déterminer grâce au suivi temporel de traceurs naturels spécifiques. Les paramètres que nous estimons les plus appropriés pour l'étude du déplacement de l'eau sont 1'18O (et par conséquent le 2H), la température, la conductibilité électrique, le Tritium et certains paramètres spécifiques, selon les cas. * Dans ce cas, une seule valeur de Tritium ne permet pas de déterminer un temps de séjour souterrain représentatif. Contribution à l'étude des eaux souterraines de la région de Fribourg BIBLIOGRAPHIE Annexe A: LA METHODE VLF- RESISTIVITE MULTIFREQUENCE Annexe B: METHODES ISOTOPIQUES 180 ET 3h Annexe C: METHODES RELATIVES A L'ETUDE HYDROGEOCHIMIQUE TABLEAUX Bibliographie 233 BIBLIOGRAPHIE ANDREWS, J.N., YOUNGMAN, MJ., GOLDBRUNNER, J.E., DARLING, W.G., (1987): The geochemistry of formation waters in the molasse bassin of Upper Austria. Environ. Geol. Water Sci. 10, 1, 43-57. BAKALOWICZ, M. (1979): Contribution de la géochimie des eaux a ta connaissance de t'aquifère karstique et de la karstification. - Thèse, Sciences, Paris Labo. souterrain du CNRS, Moults., 257 p. BALDERER, W. (1979): Die Obere Susswassermolasse als hydrogeologisches Gesamtsystem. - Bull.du Centre d'Hydrogeologie 3, 27-40. BALDERER, W. (1981): Hydrogeologie des Murgtales (Kt.Thurgau):. [Kurzfassung der an der Univ.Neuchâtel eingereichten Diss. 23.4.1980]. - Gaz-eaux-eaux usees,61, 3, 87-94. BALDERER, W. 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Sa principale caractéristique est de pouvoir procéder à un sondage vertical des résistivités électriques en chaque point du traîné (sondage électro-magnétique). En comparant le champ magnétique direct de l'onde radio de très basse fréquence et le champ électrique qu'elle induit dans le terrain, on déduit des informations sur les propriétés électriques du sous-sol. Nous présentons ici le principe de cette méthode ainsi que trois différents procédés d'interprétation 1-D (stratigraphie) des mesures. La même méthode, utilisée en mesures pluridirectionnelles, permet de reconnaître les directions d'anisotropie électrique des terrains étudiés. 1 INTRODUCTION La méthode VLF-R multifréquence a été développée par le professeur I.MÜLLER (MÜLLER 1982, 1983, 1984; THIERRIN et MÜLLER, 1988). Elle est l'extension de la méthode VLF-R "traditionnelle" (cf. FISCHER et al, 1987; KELLER et FRISCHKNECHT, 1976) - utilisant la plage de fréquences de 15 à 30 KHz, à une plage de fréquences beaucoup plus large, allant jusqu'aux ondes longues radio (de 12 à 240 KHz), ce qui augmente grandement les possibilités de la méthode et l'éventail des profondeurs d'investigation (de 10 à 45 m, pour une résistivité apparente de 100 Q*m). Cette méthode est très sélective (longueur de ligne « 5 m) et très rapide (quelques secondes par mesure). On distingue 4 mises en oeuvre possibles de cette méthode: a- Le traîné de résistivités dont le but est l'élaboration de cartes d'iso-résistivités, relatives à une fréquence ou plage de profondeurs d'investigation (comme on le fait en géoélectrique classique, pour une longueur de ligne A - B). b- Le traîné multifréquence dont la principale caractéristique est de pouvoir procéder à un mini sondage de fréquence en chaque point du traîné: On obtient ainsi des cartes d'iso-résistivités, relatives à plusieurs plages de profondeurs d'investigation, d'une part et, d'autre part, ce genre de traîné nous permet d'établir des coupes d'interprétation géologiques du sous-sol. c- Les sondages de fréquence: En procédant aux mesures relatives à 5 fréquences ou plus, on peut détailler, de manière optimale, la stratigraphie des "couches" résistantes et conductrices au point de mesure. d- Les mesures pluridirectionnelles. Elles permettent de tester, dans plusieurs directions, les propriétés électriques du sous-sol, menant ainsi à la reconnaissance de champs de fractures, de discontinuités ou d'alignements (cf. MÜLLER et al, 1984; FISCHER et al, 1983; GRETILLAT et al, 1987; MÜLLER et KETTIGER, 1987). Cette méthode est particulièrement adaptée à la prospection hydrogéologique aux fins suivantes: - Cartographie des résistivités électriques en milieux fracturé et poreux. - Détail de l'empilement de couches résistantes et conductrices. - Implantation de forages d'eau. - délimitation de lieux d'injection d'eau. - Etude des structures en milieu de fractures. Contribution à l'étude des eaux souterraines de ta région de Fribourg 244 Annexe A: La méthode VLF-Résistìvitó multifréquence PRINCIPE DE LA METHODE ELECTROMAGNETIQUE VLF-R MULThFREQUENCE 12-240 kHz Joseph ThiBfrin & Imre MüHnr FIg. Al: Schéma illustrant le principe de la méthode électromagnétique VLF-R multi- frequence 12 - 240 KHz (commentaires dans le texte). Contribution à l'étude des eaux souterraines de la région de Fribourg Annexe A: La méthode VLF-Hésistivité muitifréquence. 2 PRINCIPE DE LA METHODE VLF-R MULTIFREQUENCE 245 Cette méthode utilise les propriétés des ondes électromagnétiques de basses et très basses fréquences (LF et VLF) pour mesurer la résistivité apparente du sous-sol, relative à diverses profondeurs d'investigation. La figure A1 illustre schématiquement cette méthode, dont le fonctionnement est résumé comme suit: Dans l'éventail des fréquences utilisées (12 - 240 kHz), se trouvent, entre autres, les émetteurs de radioguidage et de liaison maritimes (émet- teurs VLF s.S., 12-30 kHz), les émetteurs télex et de divers moyens de télécommunication (50 - 150 kHz), ainsi que les émetteurs d'ondes lon- gues radio (150 - 240 kHz). Notre appareillage permet de capter plus de 70 émetteurs installés sur tout le territoire européen. Pour un sondage électro-magnétique, on choisit au moins 3 émetteurs répartis sur toute la gamme des fréquences utilisables et situés dans une même direction, afin de pouvoir mesurer à plusieurs profondeurs d'investigation sans modifier le dispositif de mesure. A chaque fréquence {F}, les variations du champ magnétique primaire (Ho(F)) engendré par un émetteur induisent des courants électriques dans le sol. Ceux-ci produisent un champ magnétique secondaire, dont l'effet est de renforcer le champ primaire au dessus du sol. On mesure la résul- tante de ces deux champs magnétiques (B(F)) . Le dispositif de mesure est très compact: La composante magnétique du signal (B(F)) est captée au moyen d'une bobine d'induction de diamètre 50 cm, placée verticalement. On mesure ainsi l'intensité du champ magnétique juste au dessus du sol, pour une fréquence choisie. La composante électrique du signal (E(F)), induite dans le sol, est mesurée perpendiculairement au champ ma- gnétique, au moyen de deux électrodes plantées en terre et séparées de 5 m. On déduit la résistivité apparente du sous-sol par la relation suivante: B(F) E A/m ; Electrode 2 E(F) [ Wm 1 Electrode 1 Distance entre les électrodes -Sm Ra [Q*,] - (1Pj)2 - ^ avec no = 4jt* 10" ^ On mesure aussi le décalage de phase entre les champs électrique et magnétique {O(F)}, cf. plus bas. L'appareillage prototype que nous utilisons permet de pré-programmer trois fréquences ou canaux, pour lesquels la mesure de chaque couple Ra, O1 dure entre 5 et 10 secondes. >.a >.x .' La profondeur d'investigation P est la profondeur pour laquelle l'intensité de l'onde 0 électro-magnétique est amortie d'un facteur 10. Elle dépend de la fréquence {F [Hz] ) et >e de la résistivité apparente mesurée (Ra [U*m]}: 4 1 P [m] = 503 • V(Ra/F) ; Sur le tableau suivant, on peut lire les profondeurs d'investigation relatives à diverses ', fréquences utilisables pour un sondage électromagnétique, dans un terrain de résistivité [ électrique Ra = 100 H*m: i * Fréquence [kHz]: ' Profondeur d'investigation [m]: > Ainsi, plus la fréquence choisie est basse, plus la profondeur d'investigation est grande. : C'est grâce à cette propriété qu'il est possible de procéder à un sondage électro-magné- : tique en mesurant Ra et le décalage de phase <& pour plusieurs fréquences en un même * point. 240 180 80 50 19 12 10 12 18 22 36 46 Contribution à l'étude des eaux souterraines de la région de Fribourg 246 Annexe A: La méthode VLF-Résistivité multifréquence Z E ou à < W tu CV CE CL. CE UJ I- Z O J 1 O ' • V E J O à \ s o.c CV D'une manière générale, les champs électriques et magnétiques sont orthogonaux. Très haut au dessus de la surface du sol, la phase du champ électrique devance celle du champ magnétique de 90°. A la surface de la terre, si le sous-sol est uniformément conducteur dans la profondeur d'investigation relative à la fréquence utilisée, ce décalage de phase n'est plus que de 45°, à cause de !'"interférence" avec le champ magnétique induit. 4^-90ViIi(ItI S' le sous"so1 est Gratifié dans la profondeur d'investigation et qu'un • 'il Ic terrain conducteur surmonte un terrain plus résistant, le décalage de V ! flJFy phase mesuré sera inférieur à 45° (exemple à 80 kHz). Par contre, si \ '/£-• (en degrés) <3 3 -6 6 - 12 12 - 20 >20 Ra max/Ra min <1.2 1.2-1.5 1.5-3 3- 7 >7 La figure A2 inspirée de FISCHER et al. (1983, pp. 979 et 983), montre la distribution directionnelle calculée des résistivités et des phases (diagramme polaire) sur un dyke conducteur de 60 Ü*m, dans un milieu homogène de 600 0*m, surmontant un conducteur à grande profondeur. 5 METHODES D'INTERPRETATION 1-D (STRATIGRAPHIE). De nombreuses méthodes d'interprétation 1-D ont été développées par les équipes de recherche appliquant les méthodes audiomagnétotelluriques (KELLER et FRISCHKNECHT 1966, KAUFMAN et KELLER 1981). Nous décrivons et comparons ci-dessous les trois méthodes d'interprétation des mesures VLF que nous avons utilisé dans le cadre de cette étude, ainsi que les programmes d'ordinateur y relatifs. 5.1 La méthode d'Inversion électromagnétique Décrite par FISCHER (FISCHER et al., 1981), son principe de calcul est le suivant: Sur la base des mesures Ra et 4> relatives à la plus haute fréquence utilisée, on estime la résistivité vraie du premier terrain. La méthode permet ainsi de calculer l'épaisseur de cette première couche et la résistivité du deuxième terrain, sans se soucier .de la présence éventuelle d'un troisième terrain sous-jacent. Si le milieu est multi-couches, grâce aux valeurs de Ra et 4> relatives aux fréquences de mesure plus basses, l'épaisseur de la deuxième couche est définie, ainsi que la résistivité du troisième terrain, sans se soucier de l'influence éventuelle d'un quatrième terrain, et ainsi de suite. Cette méthode fournit de très bons résultats, si les mesures sont faites en situation bi-couche simple et pour des profondeurs du contact n'excédant pas 30 m, pour un Ra de l'ordre de 100 n-m. En interprétation multicouche (programme FITVLF), les résultats ne sont pas toujours satisfaisants. Trois programmes d'ordinateur permettent l'interprétation des mesures sur ce principe. Il s'agit des programmes VLF, FLV et FITVLF (tabi. A1). Contribution à l'étude des eaux souterraines de la région de Fribourg Annexe A: La méthode VLF-Rósistivité multifréquence. 249 5.2 La méthode "MINDEF" Cette méthode utilise une formule de calcul de l'impédance d'un terrain à n couches, développée dans KAUFMANN et KELLER (1981) et communément acceptée pour les bons résultats qu'elle fournit en AMT (méthodes audiomagnétotellurique). Sur la base des mesures de terrain, on construit un modèle approximatif à x couches de résistivités approximatives R1 à Rx et d'épaisseurs H1 à Hx-1. Les résistivités apparentes et les phases relatives à ce modèle sont calculées pour les diverses fréquences de mesures et sont ensuite comparées aux mesures de terrain. Le modèle est progressivement modifié par l'algorithme jusqu'à ce que i'écart-type entre les valeurs calculées et les mesures de terrain atteigne un minimum. Le modèle correspondant à I'écart-type minimal est le résultat de l'interprétation. Deux programmes d'ordinateur MINDON (formation du ficher des modèles approximatifs, tabi. A2) et MINIM (calcul, tabi. A2) sont utilisés pour l'interprétation des mesures selon ce principe. 5.3 La méthode graphique Il nous est apparu très pratique de se baser sur l'évolution des phases plutôt que sur celle des résistivités pour l'interprétation "stratigraphique" 1-D des sondages VLF-R. Dans ce sens, nous avons développé une méthode empirique, la "méthode graphique" qui fournit de bons résultats en situation tri-couche (C/R/C et R/C/R). 5.3.1 Concept de la méthode graphique Le concept de départ est le suivant: - En situation de couche unique, ni la phase qui reste très proche de 45°, ni la résistivité électrique ne varient au cours du sondage VLF-R (cf. fig. A3, a et b). - En situation bi-couche (c.à d. lorsque, dans ta profondeur d'investigation la plus grande du sondage VLF-R, n'existent que deux couches dont les propriétés électriques sont différentes), le sondage a habituellement une allure semblable à l'une des deux formes représentées aux Ng. A3 c et d. A ta figure A3 c, un conducteur relativement peu épais (7 m à 120 £>m) surmonte un résistant de 250 CiTt) (phase inférieure à 45°). La résistivité apparente augmente progressivement au cours du sondage. La phase du premier canal (183 KHz) est fortement influencée par le contact C/R qui se trouve au milieu de sa profondeur d'investigation (15 m). Aux deuxième et troisième canaux, la phase tend vers 45° et ta résistivité apparente vers la résistivité vraie de la deuxième couche. A la figure A3 d, le sondage est à nouveau fait en situation bi-couche C/R mais ici, la première couche conductrice (85 Q*m) est relativement épaisse (14 m) par rapport à la profondeur d'investigation du premier canal (10 m), si bien que la phase de ce canal (44°) n'est presque pas influencée par le contact. Si l'on pouvait continuer le sondage à des fréquences plus basses et que ie terrain reste bi-couche, les courbes Ra et 4> reprendraient l'allure qu'elles ont à la figure A3 c. • En situation tri-couche (fig A4 a, b et c) et à quatre couches (fig A4 d), Ea courbe des phases traverse une fois, respectivement deux fois l'axe des 45°, passant d'une situation C/R à R/C ou inversement. La courbe des résistivités apparentes ne suit pas toujours le mouvement aussi rapidement et réagit avec un certain retard par rapport aux phases. C'est parceque les phases réagissent plus rapidement que les résistivités apparentes aux différents contacts R/C et C/R que nous avons tenté d'utiliser l'évolution des phases pour interpréter les sondages VLF-R. Contribution à l'étude des eaux souterraines de la région de Fribourg 250 Annexe A: La méthode VLF-Résistivitó multifréquence 188 FNq en KHz 26 Freq en KHz 26 Ra Ohm B Phase Ra d ! 1666 - -1 i i 566 - - 266 _^—B- -------B^^ ^-^^ 166 - ^^** ^x-. 56 - 36 i 111 i i i i , i i Pha- ses 76 66 56 48 36 26 386 188 Freq en 28 18 Fig. A3: Sondages de fréquence VLF-R: a) et b): Terrains à une couche. c) et d): Terrains à deux couches. Contribution à l'étude des eaux souterraines de la région de Fribourg Annexe A: La méthode VLF-Résistivitó multi fréquence. 251 Ra OhMM 1000 I Phase ' Ra a m ¦ **^~ Xs* ^v" ^""^v. 200 'cy \ m r-^K - - 56 * 30 i i 111 t i i i . I I Phases Ra OhMM 1888 78 68 580 58 48 200 38 108 28 58 38 308 100 Freq en KHi 26 18 Fnq en KHz 26 Ka OhMH 0 Phase ' Ra d 1000 - . • - 588 ¦ 260 "t \ ^*. *r - 100 : ^+—^^r**^ - 58 ' 38 i i i...... i i i Pha- ses 78 68 58 40 38 28 180 Freq en IGIz 20 FIg. A4: Sondages de fréquence VLF-R: a), b) et c): Terrains à trois couches. d): Terrain à quatre couches. 300 168 Freq en KRz 20 10 Contribution à l'étude des eaux souterraines de la région de Fribourg 252 Annexe A: La méthode VLF-Résîsiivité multifréquence 5.3.2 Principe de la méthode graphique. Dans un sondage VLF-R, lorsque la courbe des phases traverse (en montant ou en descendant) l'axe des 45°, nous avons déterminé statistiquement que la profondeur d'investigation relative à ce point, correspond approximativement à la profondeur du contact R/C, respectivement C/R. L'épaisseur de la premiare couche est plus difficile à déterminer car, dans la plupart des cas, il faudrait des mesures relatives à des fréquences plus élevées, ce qui n'est techniquement pas possible. Nous obtenons les meilleurs résultats en fixant l'épaisseur de cette première couche comme égale à la profondeur d'investigation relative au maximum, respectivement au minimum de phase (sur Ia gauche du sondage) s'il s'agit d'une première couche résistante ou conductrice. Lorsqu'une couche intermédiaire n'est pas assez épaisse ou qu'elle n'offre pas un contraste de résistivité suffisamment grand avec les couches voisines, la phase ne réagit pas assez pour retraverser l'axe des 45° (cf. fig. A5). Dans ce cas, il est possible de déterminer des profondeurs approximatives en jouant sur les profondeurs d'investigation relatives aux points d'inflexion de la courbe des phases. Cette méthode est pratique et donne de bons résultats (cf. § 5.4). On peut l'appliquer sur le terrain, sans l'aide d'un ordinateur. A cet effet, nous proposons le papier millimétré de la figure A6, dans lequel on introduit les phases (partie supérieure) et les résistivités apparentes (partie inférieure), relatives aux fréquences de mesure, en abscisse (échelle logarithmique inverse). A la base du papier, en face de l'échelle des fréquences, se situe l'échelle des coefficients de profondeur d'investigation (Cp, en échelle logarithmique), avec Cp = 503 • 1/\F, si bien que pour obtenir la profondeur d'investigation en chaque point du graphique, il suffit de multiplier la racine carrée de la résistivité apparente par le Cp correspondant. INTEPPREIATION ULF-R Methode graphique J.T. 1988 (S Phase ' Ba m Mesure S4-31 m 0 I : C- ou R- suivant R ->: Curseur a droite D {-: Curseur a gauche R ft: Aide P: Suivant E V: Mesure validée S N: Autre st, ou fin Si Annuler Q: Sortir Pr,investig:[ 64,1 C Conduct, I! 12.5 h 0 Resistant 1: 15,6 K U Conduct, 2: 36,8 m C Resistant 2: 59.4 k H Conduct, 3: 0.0 h E Resistant 3: 8.0 m STATION No: 13 Flg. A5: Sondage de fréquence VLF-R dans un terrain à quatre couches (C/R/C/R) avec une deuxième couche résistante pas assez importante pour faire remonter la phase en dessus de 45°. 5.4 Comparaisons des résultats fournis par chaque méthode d'interprétation Nous avons testé les 3 méthodes d'interprétation (inversion, Mindef et graphique) sur 39 sondages VLF-R réalisés à proximité de 25 forages différents, suffisamment profonds et dont les logs lithologiques sont simples (3 ou 4 couches). Les données de mesure sont listées au tableau A4, et les résultats d'interprétation, ainsi que les profondeurs réelles des contacts au tableau 12.5. Les sondages ont été réalisés avec 3 ou 5 fréquences et dans la plupart des cas, la succession stratigraphique des terrains est du type C/R/C. Les figures A7 a à f résument les résultats des 390 100 Freq en KfIz 20 10 Contribution à l'étude des eaux souterraines de la région de Fribourg Annexe A: La méthode VLF-Résistivité multifréquence. Fréquences [kHz] 253 3C )- 0 200 100 80 60 50 40 30 20 10 — ::== = =------:-------LJiiii.......-----------. — — -----------------......------14 I Il.....-------------------- |4444- - 4- -.....--------------- — — jfjf— - .-.--.. 30 0 200 100 70 50 30 20 10 L Mil III III Mill, I I I I Il I I I I I I I I I I I M. 14 JJ I ill lllllllll I 0.9 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 Coefficient de profondeur d'investigation Fig. A6: Papier millimétré conçu pour la méthode graphique Contribution à l'étude des eaux souterraines de la région de Fribourg 254 Annexe A: La méthode VLF-Résistivité multifréquence différentes méthodes d'interprétation. Le taux de réussite à trouver correctement un contact est indiqué, pour chaque méthode au tableau 12.6. D'une manière générale, on peut faire les remarques suivantes: - En situation multicouche, l'épaisseur de la première couche est difficile à déterminer au moyen des méthodes Mindef et Inversion. C'est au moyen de la méthode graphique qu'on peut l'estimer avec le moins d'erreur. Au moyen de la méthode d'inversion, appliquée sur le premier canal, à l'aide des programmes VLF.BAS ou FLV.BAS, on obtient également de bons résultats. • La précision du résultat de calcul pour les sondages réalisés au moyen de 5 fréquences est meilleur que celle relative aux sondages à trois fréquences. - Les méthodes Mindef et graphique permettent l'interprétation à de plus grandes profondeurs que la méthode d'inversion. - La méthode graphique " à main " (lissage des courbes des phases et des resist ivi tés apparentes à la main, sur le papier millimétré de la fig. A6) donne de bons résultats. - Malheureusement, pour l'étude statistique de la fiabilité des méthodes d'interprétation, il nous manque des mesures autour de forages en situation R/C et R/C/R. 70 60 S-SO m iZ "g 30 ¦*> S» io Q O ° s D D . • ¦* » i* •- ¦¦____,______^^ 10 20 30 40 50 60 70 Profondeur réelle (ml O % D p m Vl ? ? .sr« A KJO ¦ * 4) O «70 £ • ' • , 10 20 30 40 SO 60 Profondeur réelle (m) 20 JO 40 50 60 Prorondeur reelle Im] M - B D o a o- S ¦B" B n 0 i „-^ O a -*» " a a Jf 0 r O ° m ^ .s * • •. ,* , , . 1(1 20 W 40 5(1 «) 70 Profondeur reelle Im | K) 2fh JU 4(1 JO 60 70 Profondeur rcctlc [ni] 10 70 TO 4(1 50 «1 7(1 Profondeur reelle |ni| FIg. A7: Test des 3 méthodes d'interprétation des sondages de fréquence VLF-R (Inversion avec le programme FIT, Mindef et méthode graphique) pour 3, respectivement 5 fréquences de mesure. Les points noirs correspondent à des contacts C/R (38 contacts pour 3 fréquences et 16 contacts pour 5 fréquences) et les carrés ouverts à des contacts R/C (45 contacts pour 3 fréquences et 23 contacts pour 5 fréquences). Les points qui se trouvent sur l'axe des abscisses de chaque graphique (profondeurs réelles) sont des contacts réels qui n'ont pas été trouvés en interprétation du sondage VLF-R. Contribution à l'étude des eaux souterraines de la région de Fribourg Annexe A: La méthode VLF-Réslstivité multifréquence. 255 6. DEMARCHE SUIVIE POUR L'INTERPRETATION DES SONDAGES DE FREQUENCE VLF-R a)- Répartition des stations en catégories: Catégorie 1: Stations pour lesquelles les phases sont constantes à 45° ± 1 et les Ra constantes (dans une marge de 5% autour de la moyenne). Ces stations ne valent pas ta peine d'être traitées par ordinateur car on se trouve en situation à une couche de résistivité = Ra moy. Catégorie 2: Stations pour lesquelles les résistivités évoluent dans un seul sens (diminution ou augmentation) du premier au dernier canal et pour lesquelles les phases évoluent de la même manière, mais sans franchir la barre des 45°! Dans ce cas, on se situe en situation 'bi-couche'. Le résultat du calcul avec le programme FITVLF peut être considéré comme optimal. Catégorie 3: Stations pour lesquelles les phases augmentent, passant d'une valeur inférieure à 45° aux canaux de haute fréquence, à une valeur supérieure à 45° pour les canaux de basse fréquence. Les résistivités évoluent en cloche ou augmentent progressivement. Dans ce cas, on se trouve en situation à 3 couches (2 conducteurs entourent un résistant), idéale, à notre sens, pour l'interprétation au moyen de la méthode graphique. Catégorie 4: Autres stations. b)- Création du fichier ".don" selon te format du tabi. A3, pour les catégories 2, 3 et 4. c).- Traitement des stations du fichier ".don", au moyen du programme FITVLF. d).- Traitement des stations de catégorie 3, au moyen du programme GRAPHVLF et du fichier ".don". e).- Traitement des stations de catégorie 4 au moyen des programmes MINDON et MINIMI, en attribuant à chaque première couche la résistivité vraie, calculée au moyen du programme FITVLF et en bloquant à zéro le degré de variation de cette résistivité dans le fichier INPT.DAT. Certaines stations de catégorie 4 peuvent être traitées au moyen du programme GRAPHVLF. 7. CONCLUSIONS La méthode VLF-R multifréquence (12 - 250 KHz) dépasse les possibilités des méthodes électriques classiques grâce aux caractéristiques suivantes: - rapidité de mise en oeuvre - encombrement minimal - grande sélectivité verticale (longueur de ligne = 5 m) - mise en oeuvre possible en terrains très perturbés - mise en oeuvre facile de manière pluridirectionnelle Les sondages de fréquence permettent de reconnaître jusqu'à 4 terrains dans la profondeur d'investigation maximale (4.6 • "VRa à la fréquence de 12 KHz). Les mesures peuvent souffrir d'une éventuelle polarisation naturelle qui peut être testée et quantifiée par des mesures pluridirectionnelles. Dans les faibles profondeurs (< 0.5 • vRa), relatives à la plus haute fréquence de mesure, la précision de l'interprétation reste aléatoire. Les trois méthodes d'interprétation des sondages VLF-R présentées fournissent leurs meilleurs résultats lorsqu'elles sont utilisées de la manière suivante: - Méthode d'inversion (programmes FIT, VLF et FLV): en situation bi-couche simple; - Méthode Mindef (programmes MINIMI et MINDON): en toute situation de sondage VLF-R, pour autant qu'on détermine et fixe préalablement la résistivité vraie de la première couche. Contribution à l'étude des eaux souterraines de la région de Fribourg 256 Annexe A: La méthode VLF-Résistivité muitifréquence - Méthode graphique (programme GRAPHVLF): situation de sondage VLF-R à trois ou quatre couches, particulièrement pour la succession Conducteur/Résistant/Conducteur(/Résistant) Il serait très agréable et profitable de pouvoir procéder à des mesures sur une fenêtre de fréquences beaucoup plus large. Malheureusement, à notre connaissance, il n'existe pas d'émetteur dont la fréquence est plus basse.que 12 KHz d'une part, et, d'autre part, il est techniquement difficile d'utiliser des fréquences supérieures à 250 KHz à cause des phénomènes de réflexion dans l'atmosphère auxquelles ce type d'onde est soumis. NOM: PROGRAMMATION: METHODE: DESCRIPTION: REMARQUES: VLF.BAS GW Basic, par LE QUANG et FISCHER Inversion électromagnétique Programme interactif demande: Ra, ) fournit: Rho2 et H1 Permet l'interprétation bi-couche seulement et ne nécessite qu'un couple de mesures Ra et <&. Très bons résultats en terrain bi-couche ou avec H1 + H2 > P En terrain à trois couches ou plus, grandes difficultés à déterminer H1 et Rho2. NOM: PROGRAMMATION: METHODE: DESCRIPTION: REMARQUES: FLV.BAS GW Basic, par MÜLLER Inversion électromagnétique Programme interactif demande: Ra, O, F, Rho2 (estimé sur la base de Ra et 4>) fournit: Rho1 et H1 Idem programme VLF.BAS NOM: FITVLF.BAS PROGRAMMATION: GW Basic, par LE QUANG et FISCHER, adapté par THIERRIN METHODE: Inversion électromagnétique de FISCHER DESCRIPTION: Programme interactif avec fichier source de format standard (tabi A3) demande: Fourchette probable pour Rho1 (estimé sur la base de Ra et ) fournit dans un fichier de résultats: - Ie modèle calculé - les valeurs de Ra(F) et de 4>(F) calculées - l'écart-type entre les valeurs calculées et valeurs mesurées REMARQUES: Permet l'interprétation multicouche et nécessite un jusqu'à 15 couples de mesures par station. Très bons résultats en terrain bi-couche ou avec H1 + H2 > P En terrain à trois couches ou plus, grandes difficultés, Résultats pas toujours fiables, excepté pour les situations tri-couche avec H1 + H2 < 30 m et Rho3 très faible (< 60 ClTn). Tableau A1: Programmes d'interprétation VLF, Méthode d'inversion. Contribution à l'étude des eaux souterraines de ta région de Fribourg 257 NOM: MINDON.BAS PROGRAMMATION: GW Basic, par THIERRIN METHODE: (Préparation du fichier des modèles pour le programme MINIM) DESCRIPTION: Programme interactif avec fichier source de format standard (tabi A3) demande: nombre de couches pour chaque modèle (selon les mesures de terrain) fournit, un fichier de données pour le programme MINIM1 dans lequel figurent, pour chaque station, les éléments suivants: • les fréquences de mesure, - les valeurs Ra et 4> mesurées sur le terrain, • des paramètres de confiance relatif aux mesures (0 = nulle, 1 = bon) - un modèle approximatif à N couches de résistivité RHOj et hauteur Hj1 - des degrés de variation possible relatif aux valeurs RHOj et Hj du modèle (O = fixe, 1 = degré de variation possible maximal) REMARQUES: Il est important de choisir le nombre de couches adéquat pour chaque modèle, en fonction de l'évolution des phases et des résistivités apparentes du terrain. Il est important de fournir un bon RHOi dans le modèle de chaque station et d'en fixer à "O" le degré de variation, ceci à cause du faible nombre de fréquences utilisées à chaque station. NOM: MINIMI .FOR PROGRAMMATION: Fortran IBM, par SCHNEGG, modifié par THIERRIN METHODE: MINDEF, adaptée par SCHNEGG et FISCHER DESCRIPTION: Programme 100 % automatique demande: le fichier INPT.DAT (créé au moyen du programme MINDON) fournit: un fichier OTPT.DAT (résultats complets des calculs) et un fichier RESULT.DAT (modèle optimal trouvé à chaque station et l'écart-type y relatif) Les trois routines suivantes, mises ensemble, composent ce programme: - Ia routine MINIM.FOR permet la lecture du fichier INPT.DAT, gère les données de ce fichier, appelle la routine suivante, puis gère l'écriture des fichiers de résultats, - Ia routine MINDEF.FOR est une routine de minimalisation. Elle opère la transformation continuelle et progressive du modèle de départ et cherche le modèle pour lequel les valeurs de Ra et O, calculées par la fonction F, divergent le moins des mesures de terrain, - Ia sunroutine F.FOR est la fonction F, loi mathématique développée dans KAUFMANN et KELLER (1981) qui permet le calcul de l'impédance relative à un terrain à plusieurs couches. REMARQUES: Ce programme permet l'interprétation multicouche des sondages électromagné- tiques. Il est clair que le nombre de couches choisies influence le résultat. On obtient de bons résultats si le nombre de fréquences est grand, leur gamme grande et la résistivité de la première couche bien choisie. Cette méthode présente presque toujours des difficultés quant il s'agit de déterminer la cote de la base d'un terrain conducteur, difficultés inhérentes à la méthode de calcul. L'algorithme de calcul a été créé au départ pour l'interprétation de mesures relatives aux fréquences des méthodes AMT (F « 10 KHz) et non pas pour les mesures VLF et LF unidirectionnelles. Tableau A2: Programmes d'interprétation VLF, Méthode "MINDEF". Contribution à l'étude des eaux souterraines de la région de Fribourg 258 NOM: GRAPHVLF.BAS PROGRAMMATION: GW Basic, par THIERRIN METHODE: graphique empirique d'étude de la variation du décalage de phase DESCRIPTION: Programme interactif avec fichier source de format standard (ci-dessous) Pour chaque station, le programme dessine, à l'écran, l'évolution de la rési sii vite et de la phase en fonction des fréquences (interpolation de LAGRANGE entre les points). Un curseur commando par les floches "gauche" et "droite" permet à l'opérateur de se positionner sur la courbe des phases, à l'endroit qu'il juge être relatif à un contact C/R (couche conductrice sur résistant) ou R/C. La profondeur d'investigation calculée, relative à ce point, considérée comme profondeur réelle du contact en question, est alors inscrite dans le fichier des résultats. REMARQUES: Permet une très bonne interprétation des mesures faites en terrain tri-couche (C/R/C), pour une profondeur d'investigation allant jusqu'à 60 m dans des terrains de 100 fì*m de résistivité apparente. Pour les situations en bi-couche, cette méthode est moins précise que la méthode d'inversion. Format standard du fichier des données relatif aux sondages de fréquences VLF-R. 1ère LIGME TITRE 2eme LIGNE TITRE ( ou vide ) 3eme LIGNE NF ( = nombre de frequences ) 4eme LIGNE Fl , F2 , F3 ...= freq„ en KHz, ORDRE DECROISSANT 5eme LIGNE Fl KHz F2 KHz F3 KHz óeme LIGNE Nunter Roa Ph Roa Ph Roa Ph ... 7eme LIGNE NoI Roal Phi Roa2 Ph2 Roa3 Ph3 ... Berne LIGNE No2 Roal PhI ..... e te. . . Tableau A3: Programmes d'interprétation VLF, Méthode graphique. 259 N X hase W (O O co r- O CM N CO U) O co O Is- y. Q. to W (O m in co (D U) U) U) U) U) U) U) A- T- £ O O (D co CJ CC CC Is- T- CO co CD cn A" Is- OJ *•* (D co CJ T- CJ l O A- O OO CO co O CD OJ OC CJ ^- T— CJ CJ CJ OJ OJ ^- T— *" CJ *~ CO ^- N T I Is- (O Is- m r- Is- co CO m Uì O (O A" * Û. m a- A- (O W in in in in in co tn m co è K (O A- CJ O co K a- O in O CJ co T- N CJ CJ (D (O r-. in O CJ CO CO N co ^- CJ CJ CJ CJ ¦*" T- CJ CJ *" CJ T- CJ "F ! co in (O (O Is- O O (D CO -* co (0 Is- in CD Is- OJ U) A- Is- A- A- h- O f- U) ü W m w a- m (D CO -fl- A- m tn m U) U) A" A- U) A- A- A- A- A- A" U) Ul in m i Is- O) in co a- CO CO CO N CM co T- co A- O (O OJ O CO CO CO U) A" CD O CO T- Is- co a- T— (O O co -fl- tn •fl O O CM O A- CJ co CD Ol co U) Is- A- CO CO CO co 1_ ^- CJ CJ CJ CJ CJ CJ CJ CJ OJ CM CO OJ CJ ^- ^- ^- ^- OJ ^- CO CJ 1^ T- N T i W O O) co co CO T- (O r-. O co CJ O T- r» CJ T- A" CO CO CO CO A- U) O (O (0 U) co CD ^ Q. A- in A" CO a- A- CO co in (O a- A- A- ¦* ^ ^t •fl- A- A" A- co CO CO CO co A co CO co CO U) U) O O O co T- T- O A- Is- CJ (O co co co O ¦* in ^a- uì O T- OO U) A- T- A- N. N K 01 T- O CO co CO E T- Is- Is- h- r- CJ in Is- co m O co co ^- T- co co Is- Ul O co (O co A- A- A U) T- T- CD CO co A- t— *~ *" CJ cg ^- T- in a- CM T- CM CJ CJ CJ T~ CJ CJ co CO CJ ^- CJ N T I CJ O -fl- CJ N Is- CM Ü CL -fl- ¦fl- CO co CO CO A- T- ê irt co CJ O O O CO cn CD Is- co co ¦fl- CJ T— CJ CJ ¦*¦* *~ CM CM CM N T I O A- Ol co CJ U) Ul CD in CM CM O U) U) ^: Q. A A- A CJ CO CO co co CO co CO CO A co OO (M O in r- O A- O co O T- CJ T- U) Is- O O CD T- £ UO T- co in CO T- r-. CO CO CO T- CM A- U) O ^ CO CJ *~ ^- CJ CJ CJ N T I co in T— (O tn m CJ in O Is- (O CO CJ •* CD tn (O m ¦fl CJ co h« O O CJ r» Ol A" A- CJ CO co CO O U) O) O ¥ Q. co CO CO CJ co co co co m tn CO co co co co CM co CJ co CO co co CO co co co co CO co CO CO CO CO co CO CO CJ A- U) CO P co r- in Is- O CJ m CO O O Is- Is- CJ co (O in CM O r» CM co co O r*- co CO N CJ Ul CM T- Ol O CM U) U) O T- CJ tn fr 4M co (O CJ CD O T- CJ (D A" in CJ (D m CJ O CO ¦fl- CO CJ CO A- CD CJ (O co OJ U) CM T- O O in A- Ol A- CO CO CM »- co CvJ ^- T- T- CJ ^- ^- r- in *" ^- ^- ^- ^* CJ W CJ CM T- CJ CO O) (0 (O CJ CJ A- A- T- T- T- m r- r*- T- T- O) O) CD in CD O O O O u> U) U) O CD m in CX) - O CD Ci co co CJ CJ CJ CJ W N O O CO CO N r» ^ CJ CO co co co m Is- O O O) CD O) Is- Is- co CJ < O T— T— O O t~ T- CJ CJ CJ CJ CJ CM CJ CJ T- T- T- T- O (0 (O (O en (D O) CD tn (O co (O (D (O (D m in in in in tn in in in tn m in in m in W in in in in (O (O O O O O O Ci a- a- O O co co O O O O O O O O m in in O CO O O O O O O O O O O O O O O V A^ m O in rn CfI m in r*. Is- T- T- T— T- T- O in m CO co (O co co O O) O O CJ CJ U) CO CO CJ O) CD U) O) CD CJ O in A- T- co N. OJ ci (O (O w LO CO CO CO O N r- O O m tn m Is- N Ol O) O O O) O O co OJ CJ A- A- U) (D 3 r- m m (O a- CJ OJ CJ CJ CJ co O) O) co co co co co CO T- r*- Is- co CO r*- Is- Is- N CO (D r-. Is- Is- Is- O O O O O O O O T— T— Is- r- r*- r-. r- Is- Is- Is- IN Is- r-. Is- r- Is- CJ CJ CJ CJ CJ CM CJ CJ CJ CJ CJ CM CJ CM CJ CJ CM CM CM CJ CJ CM CJ CJ OJ O O O in O m o> O) O O co CO m m m O O O O O O O O O O O O O O O O O O O O O O O O O) x co m O CJ A" r- CI f\j co co in m r- r*- r- O ¦fl- ¦fl- m m O) O) CD A- CO (D CO T- T— O O O CO CO CO r-- co in A- 3 O A- A- O a- m (O (O Is- Is- O O CJ CM CJ O Is- Is- O O N r-- Is- CO CJ AT A- U) U) A- CO co Is- co co A- A- Ol O s T- O T- O) Is- (O (O CO CO Is- r- (O CJ UJ LL Q co CJ OJ co i A U) co > U) (O co Ul co (fi A-co LL ¦ CJ A-CO li' Is-U) II' LL CO (O T— r- (O N :> ^ -s 3 X Xi 5 ^ i > :> X LL LL LL LL co co co CO CO co LL U- LL e I Tabi. A4: Liste des valeurs des Rho apparents et des décalages de phase relatifs à 39 sondages de (3 ou 5) fréquences VLF-R effectués près de 27 forages étalons dans des terrains du Quaternaire.. 260 Nd litholoqies contact prof. prof. prof. prof. prof. prof. prof. prof. Foraqe 1-c/r réelle méth. meth.* meth. proq. proq. proq. proq. ma=molasse marneuse 2 = r/c qraph. qraph. qraph. fitvlf2 f itvlf 2 minim minim re « remblai 3-éq main PC/3f. 5 freq. 3 freq. 5 freq. 3 freq. 5 freq. 6F-34 ar+li 1 2.0 3.4 23.5 0.0 1.6 1.2 1.9 0.0 6F-34 qr (qravier) 2 45.0 49.0 49.7 51.3 0.0 44.7 55.7 46.3 10 F-32 so (sol) 1 2.0 6.1 15.0 15.5 1.6 3.0 0.0 0.0 10 F-32 qr 2 14.0 23.0 23.1 22.8 11.2 18.1 0.0 0.0 10 F-32 sa (sable) 2 35.0 34.0 0.0 0.0 27.5 0.0 30.8 30.3 10 F-32 ar (arqile) 3 45.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 10 F-32 sa+ar 1 68.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 10 F-32 mo+qr/ma 2 77.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 32 F-1 qr 2 23.0 23.5 23.1 22.8 16.4 17.5 19.2 20.8 32 F-1 Ii (limons) 3 48.0 0.0 0.0 35.0 0.0 0.0 0.0 0.0 32 F-1 mo/ma 2 57.0 52.0 0.0 47.2 0.0 0.0 0.0 0.0 7F-33 qr+sa+ar 1 4.0 10.0 9.5 10.1 2.0 1.6 1.0 1.5 7F-33 qr+sa 2 > 42.0 50.7 51.9 51.9 0.0 34.2 42.0 44.8 6F-3.40 so+mo 1 4.0 9.0 10.1 0.0 3.2 2.6 6.4 13.7 6F-3.40 qr/ma 2 47.0 38.3 38.0 0.0 0.0 44.3 43.7 38.2 WAB52 qr/ma 2 23.7 33.0 34.2 32.5 32.0 ZAB 50-a mo (moraine) 1 11.0 15.6 19.5 3.9 2.6 ZAB 50-a qr/ma 2 41.5 56.3 60.0 0.0 61.0 ZAB 50-b mo 1 11.0 15.4 18.1 5.1 4.5 ZAB 50-b qr/ma 2 41.5 53.4 53.9 0.0 56.7 WAB 48-a so 1 1.4 0.0 0.0 3.6 0.0 WAB 48-a qr/ma 2 27.0 25.4 25.4 33.0 33.4 WAB 48-b SO 1 1.4 0.0 0.0 0.0 0.0 WA8 48-b qr/ma 2 27.0 22.0 22.1 23.2 26.0 MRB 50-a sa+li 3 6.2 0.0 0.0 0.0 7.6 MRB 50-a mo 1 13.0 7.3 11.3 3.2 7.6 MRB 50-a qr/ma 2 31.0 32.6 33.3 34.7 33.6 MRB 50-b sa + li 2 6.2 0.0 0.0 4.2 4.7 MRB 50-b mo 1 13.0 10.5 10.2 0.0 0.0 MRB 50-b qr/ma 2 31.0 33.7 33.1 34.7 35.2 JEB 50-a mo 1 11.6 9.8 9.9 1.6 4.6 JEB 50-a qr/ma 2 34.6 39.8 40.2 36.4 34.4 JEB 50-b mo 1 11.6 9.4 9.5 3.2 6.2 JEB 50-b qr/ma 2 34.6 38.3 42.7 41.0 38.5 JEB 50-c mo 1 11.6 10.0 9.0 4.5 8.3 JEB 50-c qr/ma 2 34.6 37.2 38.7 38.6 34.4 USB 50 mo 1 9.5 8.5 10.4 1.1 5.2 USB 50 qr/mo 2 33.6 38.3 31.7 38.2 33.6 HBB 51-a so+re 1 2.4 0.0 0.0 0.6 o.o HBB 51-a mo 1 13.0 15.0 10.9 0.0 6.9 HBB 51-a qr/ma 2 35.6 39.1 35.8 32.3 33.0 HBB 51-b so+re (remblai) 1 2.4 0.0 0.0 0.7 0.0 HBB 51-b mo 1 13.0 0.0 14.4 0.0 6.2 HBB 51-b ar/ma 2 35.6 40.8 35.9 19.4 36.1 MTB 51-a sa+mo 1 7.6 17.7 20.3 5.2 6.8 MTB 51-a qr/ma 2 44.8 51.1 55.9 0.0 48.1 MTB 51-b sa+mo 1 7.6 22.8 20.3 4.4 8.4 MTB 51-b qr/ma 2 44.8 52.6 57.2 0.0 49.0 MTB 50-a mo 1 12.3 9.4 11.0 1.9 3.7 MTB 50-a qr/ma 2 34.3 41.9 42.7 37.8 39.6 MTB 50-b mo 1 12.3 12.0 11.4 3.4 7.4 MTB 50-b qr/ma 2 34.3 41.0 42.2 36.2 33.4 MTB 50-c mo 1 12.3 13.4 12.6 2.5 9.4 MTB 50-c qr/ma 2 34.3 32.6 31.5 33.5 32.2 ZAB 01 mo 1 5.3 0.0 0.0 1.3 5.9 ZAB 01 mo+qr 1 12.0 12.5 10.0 0.0 0.0 ZAB 01 qr/ma 2 29.8 32.3 32.8 35.1 29.3 HBB50b sa 1 3.0 0.0 11.5 1.5 7.2 HBB50b qr/ma 2 28.5 41.4 42.4 40.2 34.0 Tabi. A5 (1/2) 261 to litholoqies contact prof. prof. prof. prof. prof. prof. prof. prof. Foraqe 1=c/r réelle méth. meth. meth. proq. proq. proq. proq. ma=molasse marneuse 2 = r/c graph. qraph. qraph. fitvlf2 fitvlf2 minim minim re = remblai 3=éq main PC/3f. 5 freq. 3 freq. 5 freq. 3 freq. 5 freq. FC-4 mo 1 22.3 20.3 11.2 18.6 1.5 4.3 4.6 8.9 FC-4 qr/li + ar 2 40.6 38.2 34.3 33.7 36.5 26.3 35.1 35.0 FC-5 mo 1 22.3 18.2 11.4 15.8 2.3 0.9 5.0 3.8 FC-5 qr/li + ar 2 40.6 38.7 40.3 39.6 43.4 46.5 39.7 44.8 FD FE-1 mo 1 21.5 22.8 21.3 21.6 4.8 4.5 2.5 2.7 FD FE-1 qr/li + ar 2 49.0 51.6 50.2 50.0 0.0 0.0 59.0 54.7 FD FE-2 mo 1 21.5 31.0 22.4 28.8 10.7 10.0 8.2 8.8 FD FE-2 qr/li + ar 2 49.0 47.5 51.7 53.0 0.0 43.7 58.0 52.4 S1 mo 1 21.2 14.8 14.1 12.5 4.0 4.0 6.7 0.0 S1 qr 2 45.5 41.8 39.4 39.3 32.7 32.7 32.1 40.6 S1 sa + li/li + ar 2 55.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 64.0 S2-6 so+mo 1 13.9 16.0 17.3 17.4 6.3 4.9 4.1 4.0 S2-6 qr 2 50.5 51.0 50.3 51.7 0.0 0.0 51.7 50.1 S2-6 sa+qr/li + ar 2 55.8 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 S2-7 so+mo 1 13.9 14.5 11.8 14.6 2.3 2.3 2.1 2.2 S2-7 qr 2 50.5 52.2 54.3 L_ 0.0 0.0 0.0 55.3 0.0 S2-7 sa+qr/li + ar 2 55.8 0.0 0.0 54.3 0.0 0.0 0.0 58.5 S4-31 so+mo 1 9.5 14.0 11.5 13.0 0.0 4.6 0.2 1.0 S4-31 qr 2 15.2 20.0 0.0 20.3 0.0 0.0 0.0 0.0 S4-31 mo+qr 1 36.7 32.0 0.0 30.6 0.0 0.0 0.0 0.0 S4-31 qr/li + ar 2 59.0 48.8 43.0 47.3 0.0 0.0 56.5 58.1 S5-35 so+mo 1 16.8 14.0 12.7 13.8 2.9 5.2 0.6 2.7 S5-35 qr/li + ar 2 60.5 59.6 63.2 62.7 0.0 0.0 71.6 78.9 S5-36 so+mo 1 16.8 15.4 16.3 17.5 14.6 8.6 3.4 4.2 S5-36 qr/li + ar 2 60.5 52.0 52.3 53.9 0.0 0.0 58.4 61.7 F6-31 qr/li + ar 2 47.5 60.0 63.2 44.8 26.2 F2-F6-4 qr/li + ar 2 46.0 50.0 53.0 39.5 37.2 FF-34 ar/li + ar 11.5 17.9 17.6 11.7 21.2 nF-57 re + qr 4.0 0.0 0.0 0.0 0.0 nF-57 qr/lì + ar 9.5 15.0 11.0 11.0 18.2 Tabi. A5 (2/2) Tabi. A5: Liste des profondeurs calculées au moyen des trois méthodes d'interprétation des sondages de fréquences VLF-R (Inversion avec le programme FIT, Mindef et méthode graphique), pour les données de références du tabi. A4. Méthodes d'interprétation 1-D des mesures VLF: Taux de réussite à trouver un contact. contact i C/R •epéré R/C contact c err. < (: C/R calculé t 15%) R/C Méthode d'inversion 3 fréquences 5 fréquences 79% 87% 58% 39% 11% 14% 69% 44% Méthode "Mindef" 3 fréquences 5 fréquences 76% 75% 84% 65% 14% 0% 68% 93% Méthode graphique 3 fréquences 5 fréquences main 84% 81% 81% 82% 74% 89% 53% 38% 61 % 62% 65% 65% Tabi. A6: Test des trois méthodes d'interprétation des sondages de fréquences VLF-R (Inversion avec le programme FIT, Mindef et méthode graphique), taux de réussite à trouver correctement un contact géologique observé en forage. Contribution à l'étude des eaux souterraines de la région de Fribourg Annexe B: Méthodes isotopiques 18O et 3H. 263 Annexe B: METHODES ISOTOPIQUES 18Q ET 3H Contrairement aux traceurs artificiels utilisés ponctuellement, ces traceurs naturels sont distribués par tes précipitations sur toute la surface du terrain investigué. En hydrogéologie, leur étude apporte principalement des informations dans les domaines suivants: • estimation du temps de transit moyen souterrain de l'eau, - estimation de l'altitude moyenne d'un bassin versant hydrogéologique, - différenciation entre diverses composantes d'une eau. • étude de phénomènes particuliers, par exemple la provenance des eaux de pluie, les effets de !'evaporation ou les échanges avec la roche dans les systèmes hydrothermaux, etc.. 1 INTRODUCTION L'application des méthodes isotopiques en hydrologie a débuté vers la fin des années cinquante. Le point de départ était l'étude de l'impact des essais nucléaires en atmosphère qui y ont produit, entre autres, d'énormes quantités de 14C et 3H et étaient, pour ainsi dire, la source d'un essai de traçage global des eaux météoriques sur toute la terre. A partir de cette époque, on procéda au suivi de ces paramètres dans les eaux de pluie et aux recherches concernant d'autres isotopes pouvant fournir des indications sur les mécanismes hydrologiques atmosphériques, de surface ou souterrains. Chaque élément chimique peut être représenté par une ou plusieurs formes isotopiques, dans les noyaux desquelles le nombre de protons reste constant mais pas le nombre de neutrons. Les diverses formes isotopiques d'un même élément ont donc des poids atomiques différents. Certains isotopes sont stables et d'autres radioactifs, émettant au cours de leur désintégration soit des particules alpha ou bêta, soit un rayonnement gamma. La liste ci-dessous déduites des données de FRITZ et FONTES (1980) et GEYH (1980), présente les principaux isotopes utilisés pour l'étude des eaux souterraines. Isotope banal Isotope rare Abondance moyenne 1/2 vie des isotopes radioactifs 1H 2H 0.015 % 3H 10"14 à 10"16 % T1/2 = 12.43 ans 12C 13C 1.11 % 14C - 10"14 % T1/2 = 5730 ans 160 18q 0.1 % 14N 15N 0.366 % 32S 34S 4.21 % 88Sr 86Sr 9.86 % 87Sr - 7.02 % 35C| 36CI T1/2 = 310'000 ans 83Kr 81Kr T1/2 = 200*000 ans 85Kr T1/2 = 10.8 ans L'étude et l'interprétation des données isotopiques portent généralement sur la concentration absolue de l'isotope considéré, sur le rapport entre les activités de deux ou plusieurs isotopes ou sur la déviation de la concentration de cet isotope par rapport à une valeur standard. Contribution à l'étude des eaux souterraines de la région de Fribourg 264 Annexa B: Méthodes isotopiques ^8O et 3H. On trouvera de plus amples informations au sujet des méthodes isotopiques appliquées à l'étude des écoulements souterrains, entre autres.dans OESCHGER et SIEGENTHALER (1972), FONTES (1976), IAEA report series, FIRTZ & FONTES (1980, 1985), MOSER et RAUERT (1980), IAEA {1987), BALDERER et al. (1987). 2 LÏSOTOPE1ÔO 2.1 Introduction L'oxygène-18 (18O) est un isotope lourd (poids atomique = 18) de l'oxygène (poids atomique = 16). Il est stable et naturel. Son occurrence sur terre est de 0.1 % des atomes d'oxygène. Les mesures d'180 dans l'eau s'expriment en °/oo de déviation par rapport au standard eau de mer, le SMOW (Standard Mean Ocean Water), de la manière suivante: 18°/16^(échantillon) - 180/i6^(standard) 918O= """TI u . 1000 [O/oo] 18O716 (standard) La molécule d'eau contenant un 18O (H2180) se comporte différemment de la molécule d'eau "normale" (H2160), puisque son poids moléculaire lui est supérieur de 11.1 %. Cette différence de comportement se fait surtout sentir lors de changements de phase, dans la mesure où la molécule lourde (H2180) s'enrichit dans la phase de plus faible niveau énergétique, c.a.d. l'eau au cours de !'evaporation et la condensation, ainsi que la glace au cours de la cristallisation, la fusion et la sublimation. Les lieux où ces phénomènes se produisent principalement sont l'atmosphère et la surface du globe. Dans les aquifères de faible profondeur au sein desquels la température reste basse, on considère généralement que le 3'8O de l'eau après infiltration ne varie plus. C'est pourquoi il est nécessaire de connaître les inputs ou entrées, c.a.d. les valeurs de cet isotope dans les eaux météoriques avant l'infiltration. Dans les systèmes thermaux, des phénomènes d'échange avec la roche modifiant les valeurs du 918O peuvent intervenir. En milieu aride, une frange d'eau importante dans le sol peut subir les phénomènes d'évaporation et condensation cités ci-dessus et produire ainsi des modifications importantes du 318O des eaux souterraines. O1H i i I I I I 0 "o JO — -100 - - -200 - - -300 - I I I I I r - -S a/ -40 -30 -20 -to 0 10 C**- 20 Flg. B1 tirée de VUATAZ (1981): Relation entre 318O et 32H dans les eaux de précipitation, d'après FONTES (1976). Annexe B: Méthodes isotopiques ^O et ^H. 265 Flg. B2 tirée de VUATAZ (1981): Possibilités de déviation de la droite mondiale des eaux météoriques (d'après FONTES 1976). De plus, un rapport étroit lie la molécule H2180 à une autre molécule d'eau "lourde" et stable contenant un isotope de l'hydrogène - le deuterium - (1H2H16O ou HDO). Il a été défini expérimentalement dans les eaux météoriques par CRAIG (1961) et DANSGAARD (1964) comme suit: 32H = 8-318O +10 La fig. B1 montre la relation entre 318O et 32H dans les eaux de précipitation. Le schéma de la figure B2 représente les effets, sur cette relation, dus aux phénomènes d'échange avec le milieu rocheux à haute température, à !'evaporation et au phénomène d'excès (cf. FONTES, 1976). 2.2 Les Inputs d'180 A grande échelle, plus on s'éloigne de la mer, plus les 318O diminuent dans la pluie, par appauvrissement progressif des nuages en 18O. En effet, en un môme endroit, l'eau précipitée est plus riche en 18O que celle de la masse nuageuse dont elle provient. Cette dernière, appauvrie en 18O, produira plus loin à l'intérieur des terres, des précipitations contenant un 318O de plus en plus faible. Ce phénomène est appelé "effet continental". En général, dans les régions chaudes du globe (latitudes et altitudes basses), les 318O moyens des précipitations sont plus élevés que dans les régions froides. On observe ainsi souvent une relation linéaire entre les 318O et l'altitude. De plus, des variations saisonnières des inputs ont lieu. Elles dépendent des variations climatiques, avec, pour les régions tempérées de l'hémisphère nord, des 318O élevés en été et bas en hiver. Au cours d'un même épisode pluvieux, les 318O des pluies peuvent varier de plusieurs °/oo en fonction du temps et du lieu. Contribution à l'étude des eaux souterraines de la région de Fribourg 266 Annexe B: Méthodes isotopiques 18O et 3H. 2.3 La relation entre d180 et l'altitude Le 318O d'une eau de pluie dépend de son origine et de l'effet continental mais surtout de la température de l'air et de la masse nuageuse. Ceci signifie que pour une même région, une pluie tombée en altitude aura un 318O plus bas que celle qui est tombée en plaine. Ainsi, la relation entre l'input d'180 et l'altitude, déduite des valeurs moyennes annuelles des eaux de pluie ou des eaux souterraines à cheminement rapide (temps de séjour souterrain < 5 ans), varie cours du temps. Dans les eaux souterraines à temps de séjour plus élevé, les variations temporelles de pente et d'ordonnée à l'origine de cette droite de régression sont grandement amorties par l'effet tampon des systèmes. A l'échelle régionale de la Suisse, de très nombreux facteurs influencent les inputs d'180. Ils sont principalement régis par la morphologie du territoire qui perturbe les circulations atmosphériques et crée de nombreuses situations climatiques locales. Nous constatons, par exemple, que la pente de la droite d180/altitude varie suivant qu'on se trouve dans le Jura, sur le flanc nord des Alpes, dans les grandes vallées intérieures ou sur le flanc sud des Alpes KULLIN et SCHMASSMANN (1990). Pour un même endroit, cette pente varie aussi en fonction du temps et des saisons (SIEGENTHALER et al. 1983) et même de la nature du terrain dans la zone d'infiltration (ZWAHLEN et al. 1990). 2.4 Les applications de la méthode de 1'18O Dans les régions tempérées et pour l'étude des eaux souterraines non thermales, la méthode de 1'18O est habituellement appliquée afin d'obtenir, entre autres, les informations suivantes: a) Proportions de diverses composantes d'eau à l'exutoire d'un système, par exemple: - proportions d'eau fraîchement infiltrée lors d'une crue, - proportions d'eau de surface (lac, rivière, glacier, etc..) infiltrée dans un aquifère, par rapport à celle des précipitations efficaces, - proportions dans un mélange de deux ou plusieurs types d'eau souterraine. Le calcul se fait simplement de la manière suivante: y_BM '3L 3S * 3L avec: x = proportion d'eau de surface infiltrée dans l'aquifère 3|Y| = 3^O mesuré au point considéré 3j_ - ô^ ®0 local, relatif aux eaux météoriques infiltrées 3S - 3^®0 moyen des eaux de surface (rivière, lac, ...) b) Altitude moyenne d'un bassin versant hydrogéologique, grâce à une relation 3180/altitude qu'il faut établir ou confirmer (§ 2.3). c) Temps de séjour souterrain moyen de l'eau, dans certains cas particuliers. SIEGENTHALER (1972) propose le calcul du temps de séjour souterrain de l'eau au moyen de l'1®0, par comparaison avec un facteur d'atténuation définit de la manière suivante: _______1_______ f= /------------------------- *V1+(2-K*T/x)2 Contribution à l'étude des eaux souterraines de la région de Fribourg Annexe B: Méthodes isotopiques 1^O et &H. 267 avec: T = temps de séjour moyen souterrain [années] T = période de la sinusoïde d'entrée (1 an) L'input d'^o est ici considéré comme une sinusoïde saisonnière. On peut aussi déterminer un temps de séjour souterrain de l'eau par comparaison de la fourchette de variation annuelle des 318O observée dans les eaux souterraines avec la fourchette de fluctuation des 818O des pluies, calculée au moyen du modèle exponentiel1 (cf. § 3.4 et Partie 3, § 5). Cette méthode a l'avantage sur la précédente de tenir compte des variations réelles des inputs, d'une part et, d'autre part, de la répercussion pondérée de inputs observés pendant plusieurs années sur le résultat. d) Vitesse de transit de l'eau depuis la surface jusqu'à l'exutoire lors de crues, possible lors de certains épisodes particuliers durant lesquels l'évolution des entrées est profondément perturbée (cf. Partie 3, § 6). e) Vitesse d'Infiltration et phénomènes d'échange hydriques dans les sols. De telles recherches nécessitent des dispositifs de prélèvement à l'intérieur de la zone non saturée. 3 LA METHODE DU TRITIUM La méthode du Tritium est habituellement appliquée afin de déterminer le temps de séjour moyen souterrain d'une eau et déterminer les proportions de diverses composantes d'eau dans un mélange. 3.1 Introduction Le Tritium (3H) est l'isotope lourd radioactif de l'hydrogène (poids atomique = 3). On exprime sa concentration en unité Tritium (UT): 1 UT = 1 atome de Tritium pour 1018 atomes d'hydrogène. Le noyau du Tritium est constitué d'un proton et de 2 neutrons. Spontanément, un des neutrons se transforme en un proton. Le noyau du Tritium devient ainsi celui d'un Hélium-3 (^He). Cette transformation s'accompagne de l'émission d'un électron et d'un neutrino (radioactivité beta). La demi-vie du Tritium (expression de la décroissance radioactive spontanée) est de 12.43 ± 0.5 ans. 3.2 Les inputs de Tritium Dans les conditions naturelles, le Tritium se forme dans la haute atmosphère par l'action des rayons cosmiques sur l'azote et l'oxygène. Cette production naturelle dépend de la latitude. Dans nos régions, elle est telle qu'elle confère aux eaux météoriques une teneur moyenne de 3 à 6 UT. Les teneurs en Tritium des précipitations ont considérablement augmenté à la suite des explosions thermonucléaires dans l'atmosphère qui ont eu lieu à partir de 1953 (cf. fig. B3 a). De plus, on constate de grandes fluctuations saisonnières des teneurs en Tritium dans les eaux de pluie, avec, dans nos régions, des maxima au printemps et des mìnima en hiver (cf. fig. 3.29 et 3.30). En effet, le réservoir de Tritium se trouve dans la troposphère et les échanges entre celle-ci et l'atmosphère ont lieu, sous nos latitudes, au printemps. Durant ces dernières années, les teneurs en Tritium dans la troposphère ont fortement diminué, si bien que les fluctuations saisonnières s'atténuent. 1 Le modèle exponentiel simule un écoulement permanent. Le calcul au moyen d'un modèle simulant le transport de la molécule d'eau en régime transitoire serait encore plus approprié et permettrait, en même temps, de définir la fonction de transfert réelle de l'eau dans le système. Contribution à l'étude des eaux souterraines de la région de Fribourg 268 Annexe B: Méthodes isotopiques 1^O et 3H. 1950 1955 1960 1965 1970 1975 1980 1985 1990 1955 1960 1965 1970 1975 1980 1985 1990 Fig. B3: a): Evolution des teneurs en Tritium dans les précipitations de 1950 à 1989, valeurs correspondant à la région du Plateau suisse (communication de l'Institut de Physique de l'Université de Berne, département de physique du climat et de l'environnement). Les valeurs d'avant 1970 correspondent à des moyennes extrapolées à l'Europe centrale. A partie de 1970, il s'agit de valeurs moyennes correspondant au Plateau suisse. b): Valeurs de Tritium relatives à plusieurs temps de séjour souterrain, calculées au moyen du modèle exponentiel sur la base des données de la fig. B3a, en pondérant les entrées à raison de deux tiers d'input hivernal et un tiers d'input estivaul. Annexe B: Méthodes isotopiques 18O et 3H. 269 A l'échelle de la Suisse, on ne distingue pas de différences régionales notables causées par la morphologie tourmentée du territoire et son impact sur le climat. Cependant, on a mis en évidence de grandes perturbations locales dues à certains "incidents" ou à diverses industries qui, par exemple, travaillent des matériaux phosphorescents. Les régions de la Chaux-de-Fonds, Neuchâtel et Berne, entre autres, voient les teneurs en Tritium de leurs eaux de pluie plus ou moins fortement augmen- tées par de telles perturbations (de 1 à plus de 10 fois les valeurs "naturelles", cf. fig. 3.30). La connaissance des inputs saisonniers régionaux depuis 1950 est souhaitable pour l'utilisation des modèles permettant de déterminer un temps de séjour souterrain moyen de l'eau (cf. fig. 63 b). 3.3 Les applications de la méthode du Tritium On utilise habituellement la méthode du Tritium afin d'obtenir les deux types d'information suivants: a) Temps de séjour souterrain moyen de l'eau. Le modèle couramment appliqué est le modèle exponentiel, cf § 3.4. Il existe aussi d'autres modèles d'interprétation (BALDERER 1985, 1986). Des teneurs inférieures à 3 UT (limite de détection de la méthode du compteur à scintillation liquide) signifient que le temps de séjour souterrain de la quasi-totalité de l'eau est supérieur au laps de temps séparant l'an 1950 de la date du prélèvement. Au moyen du temps de séjour souterrain, certains auteurs proposent le calcul des grandeurs suivantes: - Taux de renouvellement annuel des eaux souterraines, - Volume total des réserves en eau souterraine, b) Proportions de deux composantes d'eau à l'exutoire d'un système hydrogéologique. La méthode est particulièrement bien adaptée lorsque l'une des deux composantes ne contient pas de Tritium. 3.4 Le modèle exponentiel Ce modèle est communément admis comme modèle de référence pour la détermination de temps de séjour moyens souterrains de l'eau, it a été appliqué par de très nombreux auteurs (SIEGENTHALER, 1972, BALDERER 1985, 1986) Ce modèle se base sur la répartition des temps de séjour souterrain décrite par l'équation suivante: g(T) = 1/T.e"T/* avec: - x = Le temps te séjour moyen souterrain de l'eau ¦ g(T) *» Proportion d'eau dont le temps de séjour souterrain est T La fonction g(T) est représentée en figure B4 pour des temps t de 1, 2, 3, 5, 10 et 20 ans. Contribution à l'étude des eaux souterraines de la région de Fribourg 270 Annexe B: Méthodes isotopiques 18O et 3H. Um 7? tx PJ a* O •a •"M ¦*** V) a & -Q E Um 4> 10 11 12 13 14 15 Flg. B4: Fonction de distribution des temps de séjour du modèle exponentiel, exprimée en fraction de la contribution totale pour divers temps de transit souterrain. La forme générale de l'équation du modèle exponentiel est la suivante: t = J t = 0 A(T) = J 1A1 • e ' /x • A0(T-t) • e-Xt avec: A(T) = Activité du 3H à la sortie du réservoir, relative à une date T A0(T-t) = Activité du 3H mesurée dans l'eau de pluie X == ln(2)/T 2 = constante de désintégration radioactive du 3H T 2 = demie-vie du 3H = 12.43 ± 0.5 ans Les restrictions à cette méthode sont les suivantes: - On considère que le mélange des eaux de l'aquifère avec celles de l'infiltration est instantané et parfait. - On considère qu'il n'y a pas de by-pass, c.a.d. une composante d'eau transitant depuis la surface vers la source par des chenaux à circulation rapide. - On considère que la perméabilité de l'aquifère est uniforme. Pour des temps de séjour souterrain courts, (<3-4 ans), l'application du modèle exponentiel devient problématique car la condition de mélange parfait des eaux dans l'aquifère n'est pas remplie et le risque de by-pass à l'intérieur du système naturel devient plus probable. Contribution à l'étude des eaux souterraines de la région de Fribourg Annexe B: Méthodes isotopiques ^O et ^H. 271 Remarque au sujet de la fonction entrée. De cette fonction dépend exclusivement le résultat du calcul. Pour le calcul d'un temps de séjour moyen supérieur à 5 ans environ (cf. fig. B4), il est nécessaire de disposer de la chronique des mesures dïnputs sur une longue période. Habituellement, ces valeurs d'input sont accessibles sous forme de données bisannuelles ou annuelles. L'idéal est de posséder une chronique mensuelle des inputs. Comme il s'agit d'un modèle permanent, il est nécessaire de procéder ensuite à une correction de ces inputs car les infiltrations ne se répartissent pas de manière uniforme dans le temps. On peut se contenter de pondérer sur l'année les mesures bisannuelles de 3H de la manière suivante: ^annuelle = x • ^hivernale + 0-xï * ^estivale [UT] avec x = facteur constant (on utilise habituellement x = 0.66) "^hivernale ou avec x = fonction des pluies efficaces ( x = _, ), Pe étant la pluie efficace. r Peannuelle y On peut aussi pondérer ces valeurs en fonction des infiltrations efficaces interannuelles, en multipliant chaque valeur d'input annuel par un facteur f(t) définit comme suit: « - s avec: pe(t) = pluie efficace relative à l'année considérée pem e pluie efficace moyenne relative à la durée de toute la chronique des inputs ou à une partie de celle-ci (moyenne flottante). Contribution à l'étude des eaux souterraines de la région de Fribourg Annexe C: Méthodes relatives à l'étude hydrogéochimique. 273 Annexe C: METHODES RELATIVES A UETUDE HYDROGEOCHIMIQUE 1 PRELEVEMENTS, MESURES ET ANALYSES Le tableau C1 résume les types de prélèvement ainsi que les conditions et techniques d'analyses relatifs aux différents paramètres mesurés sur les eaux. Toutes les analyses ont été faites sur des eaux non filtrées. Pour l'analyse des divers paramètres, les conditionnements suivants ont été appliqués: • Eléments majeurs (duretés, pHr Na+, K+, Mg++, Ca++, S1O2, CI* et SO4"): bouteille de polyethylene de 500 ml sans adjonction de produit stabilisant. - Ion NOs': bouteille de polyethylene de 100 ml avec adjonction de 3 gouttes de formol. - Eléments traces (Li+, Sr++, Ba++): bouteille de polyethylene de 100 ml conditionnée préalablement avec HNO3 50% durant 24 h, adjonction après prélèvement de 1 ml HNO3 50%. - Ion F: bouteille de polyethylene de 500 ml sans adjonction de produit stabilisant. - Isotopes (3H et 18O): bouteille de verre blanc 90 ou 100 ml avec fermeture étanche en caoutchouc. Dans le cadre de l'étude, les nombres d'analyses suivants ont été effectués: Etude \ Paramètres majeurs traces 3H 180 Eaux de la molasse: 60 15 26 33 Région de la Tuffière: 560 45 56 115 Plateau et Préalpes: 210 125 60 131 Pluies: - - 21 37 Total 830 185 163 316 Nous avons bénéficié en outre de 224 résultats d'analyses de 3H et de 144 résultats d'analyses d'1sO des pluies, provenant du réseau d'échantillonnage régulier de l'Institut de Physique de l'Université de Berne. 2 CONTROLES DES ANALYSES 2.1 Le contrôle de la dureté totale La dureté totale est l'expression en unités de CaCC»3 de la somme des cations bivalents. Etant donné que dans les types d'eau analysés, les cations bivalents autres que Ca++ et Mg++ sont habituellement présents à des concentrations inférieures à 0.02 mval/l, ils contribuent à la dureté totale pour une proportion négligeable, inférieure à 0.5%. Ainsi, dans ces conditions, le contrôle de la dureté totale (Dto) se fait de la manière suivante: Dto [mg/l CaC03] = 2.497 • Ca++ [mg/l] + 4.117 • Mg++ [mg/lj Ce contrôle permet de retrouver et corriger les erreurs, surtout lorsque les trois paramètres sont mesurés séparément (cf. tabi. C1, première méthode) et non pas dans une seule et même chaîne de mesure (titrimétrie automatique, par exemple). Contribution à l'étude des eaux souterraines de la région de Fribourg 274 Annexe C: Méthodes relatives à l'étude hydrogéochimique. PRELEVEMENTS ET ANALYSES Pa re mètre unité de mesure Echantillon temps d'attente pour analyses première méthode d'enalvse quantité pour anal, méthode appareil de mesure précision de mesure lieu de mesure Conductibilité électr. Température Oxyqène dissous jiS/cm (20°) ["C] rmq/ll ; ; - Conductimètre Conductimètre Oxymètre WTW. LF191 WTW, LF191 WTW, OXY 91 ±1 pS ± 0.10C ± 0.2 mq/l terrain pH bouteille plastique 500 ml max. 3 jours (3) 100 ml pH -mètre WTW. pH 91 ± 0.1 CHYN Dureté totale Dureté passagère Ion Calcium [Ca++1 [mg/l CaC03] [mg/l CaC03] rmq/ll 50 ml 50 ml 50 ml titration au Comptexon II Titrateur titration HCI automatique Metrohm titration au Complexon II E-526 ± 1% ± 1% ± 1% Ion Magnésium [Mg++ Ion Sodium [Na+] Ion Potassium TK+1 [mg/l] [mg/l] Imq/11 max. 2 mois - 10 ml - 10 ml - 10 ml Absorption atomique Perkin-Elmer AS-603 t 0.05 mg/l t 0.02 mg/l t 0.02 mq/l LASUR max. 6 mois (4) Ion Sulfate [S04-] Silice dissoute ÎSI021 [mg/l] rmq/ll max. 6 mois - 5 ml - 5 ml colorimetrie automatlaue TECHNCON Autoanal vier II ± 0.3 mg/l ± 0.3 ma/l Ion Chlorure [Cl-] Ion Nilrate IN03-1 [mg/l] rmq/ll 50 ml 50 ml électrodes sélectives lonalyser ORION / 901 ± 0.3 mg/l ± 3% CHYN 100 ml {V Oxyqône-18 0180) |8/oo dév.l 100 ml verre blanc . Spectromètre de masse ± 0.04 7oo Uni. Berne Tritium (3H) ITUl . Liquid scintillometre selon cas Ion Barium [Ba++] Ion Strontium [Sr++] Ion Lithium JL1+1 lng'i] lug"] rwq/n 100 ml (2) plastique +H2S04 2 mois - 2 ml - 2 ml - 2 ml torche à plasma ±3% ±3% ±3 % MOnstei Ion Fluorure fF-1 luq/il 100 ml Dl. 30 lours 50 ml électrodes sélectives Titroproc. 682 ±2% LASUR Paramètre unité de mesure Echantillon temps d'attente pour analyses deuxième méthode d'anetvse quantité pour anal. méthode appareil de mesure précision de mesure lieu de mesure Conductibilité électr. Température Oxyqène dissous US/cm (20°) ["CJ [mq/ll - - PH - bouteille plastique 500 ml max. 3 jours (3) 100 ml titration automatique tltro-procesasor 682 Metrohm ± 0.1 ± 1% ± 1% ± 1% LASUR Dureté totale Dureté passagère Ion Calcium [Ca++] [mg/l CaC03] (mg/l CaCOS] Imq/11 Ion Magnésium [Mg++ Ion Sodium [Na+] Ion Potassium fK+1 [mg/l] [mg/l] [mq/ll max. 2 mois • max. 6 mois (4) Ion Sulfate [S04-] Silice dissoute TS1021 [mg/l] rmq/ll max. 6 mois 5 ml 5 ml 5 ml 5 ml Colorimétire automatique injection à flux continu FIA Tecator ± 1% ± 1% ± 1% ± 1% LASUR Ion Chlorure [Cl-] Ion Nitrate [N03-] [mg/l] fmq/ll 100 ml (1> Oxyqône-18 0180) f/oo dév.l 100 ml verre blanc . Tritium (3H) ITUl . ¦ Ion Barium [Ba++] Ion Strontium [Sr++] Ion Lithium [LU] tng'ij ïuq/ll 100 ml (2) plastique +H2S04 2 mois Ion Fluorure fF-1 fliq/ll 100 ml pi. 30 jours Tabi. C1: Prélèvements et analyses (1): Ajout, au moment du prélèvement, de 3 gouttes de formol par 100 ml (2): Bouteilles préalablement conditionnées durant 24 heures avec HNO3 50%. (3): Dans bouteille remplie au maximum, à une température inférieure à 12°C. (4): Dans les conteneurs en polyethylene utilisés, nous n'avons pas constaté de variation des teneurs en Na+ et K+ après 6 mois. Dans d'autres conteneurs en plastique, une diminution sensible en Na+ s'est faite sentir. Après 1 mois, le Mg+, en teneurs supérieures à 10 mg/1 diminue de l'ordre de 1 mg/l tous les 6 mois! Contribution à l'étude des eaux souterraines de ta région de Fribourg Annexe C: Méthodes relatives à l'étude hydrogéochimique. 275 Facteurs de conversion des milligrammes en mjlliéquivalents et inversement Facteurs de Facteurs de Facteurs de Facteurs de Cations conversion des conversion des Anions conversion des conversion dei mg/l en mé/1 mé/1 en mg/l mg/l en mé/1 mé/1 en mg/l Al+++ 0,1112 8,993 BOi- 0,02335 42,82 Ba++ 0,01456 68,68 Br- 0,01251 79,92 Ca++ 0.04990 20,04 ci- 0,02820 35,46 Cr+++ 0.05768 17.34 CO3- 0,03333 30.01 Cu++ 0.03148 31,77 CrO.- 0,01724 58,01 Fe++ 0,03581 27,93 F- 0,05263 19,00 Fe++ + 0,05371 18,62 HCO,- 0,01639 61,02 H+ 0,9921 1,008 HPO.- 0,02084 47,99 K+ 0,02558 39,10 HaPO.- 0,01031 96,99 Li+ 0,1441 6,940 HS- 0,03024 33,07 Mg++ 0,08224 12,16 HSO3- 0,01233 81,07 Mn++ 0,03641 27,47 HSO4- 0,01030 97,07 Mn++++ 0,07282 13,73 I- 0,00788 126,9 Na+ 0,04348 23,00 NO1- 0,02174 46,01 NH.+ 0,05543 18,04 NO,- 0,01613 62,01 Pb++ 0,009652 103,6 OH- 0,05880 17,01 Sr++ 0,02282 43,82 po.— 0,03159 31,66 Zn++ 0,03059 32,69 s— 0,06237 16,03 SiO,- 0,02629 38,05 sor- 0,02498 40,03 so.— 0,02082 48,03 Tabi. C2 tiré de RODIER (1978): Coefficients de transformation des concentrations en mg/l, respectivement meq/l. 2.2 La balance Ionique La balance ionique (B) est le calcul de l'équilibre entre cations et anions dans l'eau. Elle s'exprime de Tune des manières suivantes : B = £ cations - 1 anions [mval/l] „ . I cations - Z anions B = -—-----------r-----:------ mval % I cations + I anions ' l J L'unité communément utilisée pour le calcul est la normalité (expression en équivalents- ou milliéquivalents-gramme par litre de solution). Au tableau C2 se trouve une liste des coefficients de transformation entre l'unité de mesure [mg/l] et l'unité de calcul [mval/l], relatifs à divers composants. Dans la présente étude, nous n'avons pris en compte, pour ce calcul de Ia balance ionique, que les composants principaux (Ca++, Mg++, Na+, K+, SO4", Cl", HCOa- et NO3"), l'influence totale des autres ions étant en général inférieure à 0.5%. Pratiquement, le test de la balance ionique a facilité les démarches suivantes: - Détection d'erreurs de mesures et de relevé. - Contrôle de la justesse des analyses (analyse acceptable si B < 5%). 2.3 Echantillons doubles ou multiples La répétition des analyses sur des échantillons prélevés au même point d'eau a permis de quantifier et tester la reproductibilité des mesures. Il est pratique d'intégrer, dans chaque série d'analyses, un ou plusieurs échantillons provenant de points d'eau dont la variabilité temporelle du chimismo est très faible. Contribution à l'étude des eaux souterraines de ta région de Fribourg 276 Annexe C: Méthodes relatives à l'étude hydrogéochimique. 3 CALCUL DES EQUILIBRES CHIMIQUES MISEREZ (1973 pp. 223-255) décrit et compare les méthodes suivantes de calcul de l'agressivité d'une eau vis à vis des carbonates: - Diagramme de Tillmans - L'indice de Lange lier - L'indice de Back - L'indice de Roques - L'indice expérimental de Picknett - L'indice expérimental de Miserez La mesure ou le calcul de ces indices de saturation a pour but de donner une valeur chiffrée de l'état d'agressivité ou d'incrustation d'une eau vis à vis de tel ou tel minéral. L'expression de l'indice est une valeur relative qui dépend de la méthode utilisée. STUYFZAND (1989) décrit une méthode intéressante de calcul de l'indice de saturation de l'eau (SI) vis à vis de la calcite, que nous avons appliquée au cours de l'étude: TCa2+HC032-1 Sl = l09 < Kc> avec [ ] = activité de l'ion libre et Kc = constante de solubilité de la calcite. Cette méthode rapide d'utilisation donne, selon son auteur, des résultats tout à fait comparables à ceux obtenus au moyen du programme WATEQF de PLUMMER et al. (1976). L'auteur donne une liste des constantes d'équilibres utilisées et détaille la démarche suivie. Les paramètres nécessaires au calcul de l'équilibre sont la température, la conductibilité électrique corrigée à 200C, le pH et les ions HCO3*, Ca++ et SO4". L'indice de saturation ainsi calculé est la différence entre le pH mesuré et le pH d'équilibre. Lorsque Sl = 0, l'eau est en équilibre avec la calcite, lorsque Sl > 0 il y a sur- saturation et quand Sl < 0, il y a sous-saturation de l'eau vis à vis de la calcite. 4 CLASSIFICATION DES EAUX Nous avons adopté la classification de MICHEL (1963), reprise et utilisée, entre autres, par MATOUSEK (1985) et SCHMASSMANN et al. (1984). Pour cette classification, on convertit les résultats des analyses chimiques en [mval/l] (tabi. C2), puis, séparément pour les cations et les anions en [mval %]. On ne prend ensuite que les composants dont la concentration égale ou dépasse 10 mval %. On désigne le type de l'eau sur la base de ces composants principaux. Pour l'expression écrite, on indique d'abord les cations puis les anions dans l'ordre décroissant de leur importance. On les sépare d'un "-". On souligne les ions dont la concentration dépasse 50 mval % et indique entre parenthèses ceux dont la concentration est comprise entre 10 et 20 mval %. Contribution à l'étude des eaux souterraines de la région de Fribourg Tabi. 1 mon res ¦¦= C O -CJ O 'é™7 n 3 (Q ^T CA O •a U cn 4) Z m ¦o ^^ in M < ara ed ¦i Ui C a. E O U .5 U 4j 03 (Q £ O CO IA u s e e -g -- u o o e £ .Si1 E E S hi so •*" •** » -O ~ ™ «j _ _ -o u a> a) o m „, « ¦» .5 a) ÏÎ « « ed 9 U (9 a vi .o W 9 ¦a "> CCt 'S 3 "a C C 11 S S 1- «3 C .2 vi M V ti ed S E >o J; O JS JS 3 e _o xì es <0 cd ed m u cn vi « O V) S .5 U ä 3 O 9 -»4 CQ J2 u X) « ss C G O <2 "s *2 «o -a C .ÏÏ 9 .2" 'S '3 -•h viat use ™i > B ed => O OO ¦< Vl U U. U H < ra J Ui Ui a. lu O = — cd « *u W ourb argi H O E SI « * -2 Ecd V) _ U 9 o- ¦s cd C C — .2 E ì S E -a B U _- OO 3 .2 w , j2 ad B ö S **> Ig »o a B C « O -= U o -a 9 O U « Ü u vi 'S Vt a » E y 5 £ O *"£ F „ 9 B o- U. O U B in ^ ed T3 -O «4 O - s V) V) U 9 ™ *> ou *d ¦aï U « JS OO V) C E mu - 'S . v) in & v, E ed QO M te, B ¦n O, UJO IIB] t. X ed ¦a R 9 ed oo U x> OIS flu B U 3 ers «3 s H O s 5 S Kl-S E Vi O W Q O Q CC U O ti ea a > u m eg Ç t Rl QJ „ E y <0 - « JS V) U '> CC — U û u cd u ol IsS B O U OO '£ es .S t S o u. w *« t- 5 g E O C E .2 'Xi v) « s s B ïï-2?j2 3 ™ £ S « -2 a ed ü ¦; 3-7 S à -S u 5 *« cd 3¾ 3 u (d &. E o O i X -O 3 e a O " A 3 _2 3 00 e JN "' E ui o4 cd -E JB o 3 O ui O ed e ed u. u. ^mE cd ¦a o m Çd 2 î= V (j cd o v) « -3 « (X O <0 « T3 ^ O ^J «O « u -2 'K "O ' u. J2 O O ¦? ? rt « — ed eu — u, u — ed ej — u. OO C C 9 « •ii M u. cd =1 E S .X E m c en »s W — ai 21 p. * c C O o P. tu ci, u w cd i: ed U , ¦O u. O =3 O CU in V ° "S m ex c 2 E 5> ¦ E « S 3 ? m oo OS 5 0^ U ¦a •2 m «> S-E HP,« Tabi. 1: Faciès sédimentaires relatifs aux cinq groupes chronostraligraphiques qu'on différencie habituellement dans le Quaternaire des vallées de la Broyé, de Ia Sarine et de la Singine. Contribution à l'étude des eaux souterraines de la région de Fribourg 278 Tabi. 2 (1/2) ï£ S 9 ä * O "5 Tt en o\ On AUI en *« /rt e» r- OCN es -Si o- OO s r- CS Vi cet Ov CSO > no o en B en O^ .. o —* CS ^- •Ü — -«. 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O i (Tl co O Z S SI W *s * EI S e C < O o N "a /CO C E Ov0 u oo ^ (_, co ^ ^ b •^ a.cò t- o O o SS'I x _ K co *: vi *4i CO CS O 2 gN 5 S « 3 Sì •- E On oo O g CS« OHO S E e O On ~. r-* O On O co Wi oo co o Ò O O Ö O co 1-H oo Tt r~ cs Tt o O ^ O O ^ O O O —• O O O O Ö oo „ m Tt »o O ~ t-; OO Tt 00 co O CO O CS P ^ O ft+ &£ 11 J 2 ^ S (J co CQ O Ö ì 1-H Tt OJ O O /—«. O O CS On NO On 980 84). ^H f—1- CS Tt I—I CS t- NO OO OO On Ü73 14. O O Tt \6 NO CS co de HO NN et Tt Vi «< CO CS co ^t r-l Vì On ON u CO CS co ^t i—t V On CO CS OO NO '— CO CA C o CA C I O 0> S *—* ti U • ti« I O I co O Z 8 X or £ ani * Val et SCI « ^^ h co o co oo ^ C O *« X E vi C NO « > B Ek CU § ^ ^ W a "3. " D c2 2« y. -~~. 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Tuffière Cote nappe" PF1 573.400 177.618 671.01 Ps - 630.0 634.99 PF2 573.440 177.550 675.24 Ps - 630.6 634.50 PF3 573.380 177.719 676.05 6" + s - 633.0 634.98 PF4 573.345 178.180 682.34 * s - 643.3 - PF5 573.255 178.030 676.84 2" + s - 646.6 649.74 PF6 573.480 177.460 679.65 Ps . - 631.7 634.59 FA 573.549 177.740 666.07 4" + s - 628.4 633.92 FB 573.625 177.940 675.09 4" + s . 627.9 633.12 rc 573.453 177.896 671.17 4" + S . 630.6 633.94 FD 573.506 177.985 676.86 4" + s - 630.2 633.51 FE 573.505 178.037 685.09 4" - s . 630.7 633.64 FF 573.870 177.575 635.09 4" + S - 624.3 626.11 R3 573.622 177.584 653.00 8" + S - 630.0 633.90 R1 573.700 177.620 635.42 * S - 629.9 - R2 573.485 177.790 664.06 2" + s - 630.9 - R3 573.675 177.870 681.93 2" + s - 634.9 - R4 573.975 177.615 632.10 * s - 621.7 - R4" 573.765 178.280 585.50 * (s) - - - S1 573.421 177.015 690.33 * s - 631.0 - S2 573.283 177.030 690.33 2" + s - 635.8 639.22 S3 573.175 176.446 692.71 2" + s - 636.2 640.85 S4 573.779 177.335 691.62 2" + s - 631.8 633.37 S5 573.885 176.285 682.37 2" + s - 622.0 628.08 C1 574.600 177.500 -666.00 2" + s -624.00 =624.0 -624.50 F2 574.183 177.760 628.20 * s - 616.8 - F3 574.121 177.669 625.60 * s - 617.8 - F4 573.990 177.731 639.10 * s - 621.0 - M2 573.834 177.596 664.00 * s - 632.6 - P12 574.226 177.705 623.77 1" + s - <662.0 - VT62 573.340 177.550 679.00 * 597.00 635.0 - VT63 573.000 174.550 695.00 * 648.00 648.0 - VT72 573.240 176.350 695.00 * 588.00 636.0 - 4F134 572.650 175.300 679.40 * 670.60 - - 4F135 572.610 175.280 678.65 * 670.40 - - 4F155 573.232 172.826 668.70 * - 643.0 - 4F166 573.430 171.618 660.90 * - <640.9 - 4F167 573.451 171.561 656.60 * - 639.9 - IXGr207F2 572.418 175.544 712.59 * 700.80 - - IXGr20/F3 572.592 175.602 707.81 * 695.00 - - IXGr20/F7 572.378 175.667 711.19 * 703.70 - - iXGr20/F8 572.293 175.559 709.45 * 703.00 - - * 1", 2", 3".... : Tube piézométrique existant (diamètre). P : Puits de captage. + / - : Niveau pizométrique observable / non observable. * : Forage détruit. s : Séries historiques de mesures piézométriques. " Moyenne durant la période du 25.9.84 au 7.11.87. Tabi. 3: Aquifère de la Tuffière: Données essentielles sur les principaux forages qui ont atteint l'encaissant peu perméable des graviers aquifères. Tabi. 4 et Tabi. 5 281 Principaux essais de traçage effectués dans la région de la Tuffiàre Numéro injection Mandat ou étude Date d'injection Point d'injection Colorant Quant fkql Rinçage fm3 eaul Point coloré Distance V. (apparirmi tion) fm/hl V. modale fm/hl 1 RUTSCH 7 nov. 72 R2 NaO 1400 20 G2 06 350 440 0.44 0.47 <0.27 <0.34 2 RUTSCH 7 nov. 72 R1 Fluorescéine 3 20 T1 330 3.44 0.51 3 BURGER& BUXH 10 nov. 77 R4 Fluorescóine 6 2.5 10 11 13 21 22 23 24 25 26 260 285 375 580 525 380 345 310 265 1.8 2.1 2.6 38.7 47.7 25.3 23 23.8 17.7 0.4 0.2 1.2 32.2 2 21.1 19.2 1.1 1 4 BURGER & BUXH 10 nov. 77 573.980/ 177.710 Amido-rhodamine 3 2.5 10 160 0.13 <.08 5 CSD Fribourg 5/15/79 574.370/ 177.560 Fluorescéine 1 21 22 23 24 25 26 300 260 150 150 160 175 >0.59 >0.72 >0.89 >0.89 >0.44 >0.49 G CSD Fribourg 30 sept. 85 PF3 NaQ 5000 12 PC FD G2 G4 220 330 510 580 0.2 0.5 0.42 0.26 0.11 0.23 0.13 7 CSD Fribourg 30 sept. 85 PF6 Fluorescéine 5 3 T2 Gl G3 620 640 730 1 1 0.6 0.16 0.22 0.25 8 CSD Fribourq 30 sept. 85 S4 Kl 30 3 FF 10 260 640 0.3 0.46 0.14 0.16 9 CSD Fribourg 11 avr. 89 C1 Fluorescéine 1 0.2 18 19 20 21 245 275 315 330 9.4 10.6 4.5 2.7 3.22 3.22 2.65 2.7 Tabi. 4: Principaux essais de traçage effectués dans la région des exutoires de l'aquifère de la Tuffière. Aqulfère de la Tuffière: Stocks d'eai i calculés relatifs aux diverses formations Formation aquifère Surface Epaisseur Volume Porosité Volume Porosité volume [Km2] moyenne saturé efficace écoulable totale total d'eau [ml [mio m3J [mio m3] [mio m31 Graviers de la Tuffière 5.90 4.16 24.54 0.15 3.68 0.17 4.1725 Sables et timons intergl. 3.22 7.70 24.79 0.20 4.96 0.25 6.1985 Graviers interglaciaires 1.91 7.60 14.52 0.15 2.18 0.17 2.4677 Substrat peu perméable 4.29 38.90 166.88 0.03 5.01 0.3 50.064 Zone d'alimentation 8.10 52.00 421.20 - - - - Total 23.42 110.36 651.94 0.53 15.82 0.89 62.903 Tabi. 5: Réserves calculées, relatives aux diverses formations, en fonction de leur volume saturé déduit de l'étude structurale et des porosités efficaces et totales estimées. 282 Tabi. 6 (1/2) Tableau 6: Physico-chimie des eaux liées à l'aquifère des graviers de la Tuffière 18-26, SW(drain ouest), SE(drain est), ST(total) : Sources SIFR B1 - B4 : Sources de la Baume P.M. : Eau de la molasse burdigalienne à Matran Iglac. : Eau de l'interglaciaire au Graboz (sondage à la tarillère) TT1 : Eau connée, base d'une moraine de fond à Matran SGT11, T1, G1 - G5 : Source de la zone sourcière du Grabe. B07, P1, M3, V1, B09, G06 : Sources du Quaternaire non liées aux graviers de la Tuffière. FC, FA, S4, S5 : Puits et piézomètres dans l'aquifère, forages = moyennes des autres forages L1, L2, L3, L4 : Lac de la Gruyère à 0, -5, -10 et -20 m Sar. : Sarine à Broc. A chaque point d'eau, Ba++, Sr++, Li+ et F- = moyenne sur 2 prélèvements Autres paramètres : * : Moyenne des valeurs sur plus d'un cycle (>12 prélèvements mensuels). **: Valeurs provenant d'un seul prélèvement. '"Moyenne des valeurs de 6 prélèvements. # : Teneurs estimées pour les eaux de l'infiltration locale "retardée". (Inf. ret.) Contribution à l'étude des eaux souterraines de la région de Fribourg Tabi. 6 (2/2) 283 SI02 I 02 [mg/I] 9.34 8.76 8.39 8.76 8.43 : 8.06 i 8.10 8.39 8.95 9.58 ! 9.55 I 8.44 | 4.46 0.5 10.61 i 10.181 10.371 9.84 | [ma/11 6.76 6.28 6.52 7.28 7.85 8.64 9.80 10.20 10.30 7.86 6.30 5.53 6.31 20.47 O) 7.5 CJ 8.37 9.48 9.68 8.37 8.66 9.85 1 1.90 9.56 11.20 11.78 11.36 9.67 11.16 8.86 9.30 10.30 9.32 10.29 1.89 2.89 3.93 Cl- a E 4.45 4.92 5.04 5.94 6.48 7.26 9.69 12.39 12.49 9.64 4.77 11.35 11.89 6.77 3.48 3.42 1.26 U) 11.82 11.45 16.76 27.63 17.05 37.73 27.67 7.73 13.65 20.07 3.90 6.68 52 08 34.66 16.08 11.28 22.16 8.93 3.75 4.42 3.08 3.21 4.25 U. Tf O eo O Z O co Tf U) 53.3 66.5 92.6 85.7 78.3 52.1 50.7 73.5 61.3 50.13 150 47.3 45.8 CVl Tf 40.3 42.1 42.3 45.3 52.1 42.7 46.8 88.5 63.7 63.9 47.8 72.2 64.2 66.5 ll/buij 23.72 32.21 31.18 28.37 25.26 22.24 17.29 12.74 9.95 19.36 28.82 19.73 21.47 28.85 32.67 32.29 8.48 O 12.68 10.59 9.76 10.42 9.70 11.13 16.27 ZfOt 10.94 9.77 ZZOl 12.77 12.88 10.13 9.09 8.84 9.04 20.53 37.32 32.35 39.20 38.53 61.68 rmq/ll 9.20 7.88 8.64 8.74 9.87 14.40 19.92 22.59 25.99 14.99 4.79 13.65 20.59 11.87 7.72 7.61 1.59 O 23.38 24.72 23.63 26.76 25.67 33.60 32.80 27.77 31.72 69.32 12.18 17.78 24.09 35 96 28.87 22.32 27.82 14.81 2.79 4.05 4.02 4.44 3.00 + + m a Zl Tf O Tf T— CM CJ O CJ T-CM CJ O O) CT p-Tf U) U) O) CT P- en to Tf CI O *- 88.33 O CO 134 152 126 CO p- O O) to P- eo P- O) (D CM P- Tf U) U) (O O) (O p- T— 181 U) Tf co Tf + + co lug/l] 384 462 489 520 557 585 556 468 Tf 495 472 501 553 509 478 2139 750 370 408 437 408 401 415 409 354 ZfE 396 390 354 409 419 587 764 751 Ca + + rma/ll 87.6 67.4 65.3 66.2 68.1 76.6 87.7 100.6 107.7 90.9 68.3 83.3 94.3 72.8 62.6 63.2 43.4 103 co P- O (O 103.6 - 122.0 129.6 124.5 1 19.0 124.7 124.2 122.9 ZOEl 74.0 116.3 121.3 135.1 127.1 101.9 123.9 88 2 60.0 62.3 65.1 67.3 79 8 + + O £ [l/DUJl 12.55 13.01 14.67 17.73 19.85 21.40 20.33 17.48 15.57 17.16 14.00 16.45 15.99 14.47 12.54 13.00 33.97 31.8 (O CO (O (O 12.14 14.00 10.97 12.14 10.06 13.44 14.34 ZS'Zt 12.36 18.44 20.52 10.30 18.20 13.34 9.51 15.53 12.10 20.77 5.61 5.61 5.59 5.09 7.78 + ll/bujj 0.86 0.98 0.99 0.99 1.03 1.07 1.07 660 1.01 0.96 0.92 0.96 2.26 1.25 0.88 0.82 1.26 1.75 1.2 1.5 0.95 2.36 1.18 0.87 0.86 1.15 2.91 990 9.13 1.02 0.93 0.92 1.27 0.96 1.04 1.01 1.51 1.09 1.10 1.16 1.13 v- 116 + CD Z Ll/oui] 2.85 2.81 (D U) CJ 2.97 3.23 4.03 4.35 4.27 3.87 3.75 2.43 3.42 5.11 2.99 2.40 2.24 7.73 17.9 5.1 (D 4.35 4.62 5.02 7.36 5.15 9.72 8.53 4.32 5.24 3.36 3.98 3.96 20.19 7.70 5.21 4.80 5.74 5.27 ZfZ 2.69 2.59 2.54 3.27 + _l O (O Tf U) U) Cl (D p-(D p-p- O) p- CT P- co Tf CT Tf CD U) to U) U) U) Tf U) CO U) O U) O (O 100 Tf Tf r- O CJ p- Tf p-CT U) co co CI co CT O) (O O) CJ O Tf CD to co T— CJ p- Dto CaC03 271.1 221.9 225.7 234.7 246.6 275.9 298.7 321.1 330.5 298.2 226.6 272.2 296.6 236.3 207.0 208.3 243.9 401 349 290 308.3 334.3 349.2 369.1 351.8 352.3 369.3 360.8 357.4 396.7 267.0 334.0 381.7 391.8 354.9 316.3 358.6 303.8 173.6 178.7 188.0 188.2 232.3 TAC [mq/l 245.2 189.3 188.2 203.3 216.4 246.2 271.2 292.4 298.1 265.8 190.4 241.1 267.3 205.7 172.4 175.4 255.3 339 ZOG 270 278.7 303.7 316.9 321.4 312.2 298.3 314.7 333.0 331.6 335.7 252.0 310.4 328.2 334.3 320.6 292.1 317.9 279.2 137.1 144.1 143.9 146.9 168.5 X O 7.39 GSZ 7.55 7.57 7.51 7.40 7.35 OG'Z 7.26 7.30 7.51 7.39 7.42 7.62 7.66 7.66 7.68 7.99 7.64 ' 7.61 7.35 7.49 7.33 7.32 7.55 7.57 7.33 7.52 7.33 7.52 7.27 7.46 7.26 7.28 7.55 7,30 7.49 8.00 7.90 7.65 7.67 7.98 K20 co 455.5 382.3 384.2 404.6 423.6 467.9 509.3 544.3 559.0 501.6 386.6 465.9 510.7 410.4 358.8 360.8 411.1 664 554 500 523.8 569 9 596.5 641.1 601.4 631.3 641.3 600.1 626.5 678.3 443.8 559 9 696.5 683.0 608.0 538.0 617.8 511.7 309.3 321.3 327.2 326.2 400.8 Temp o 10.16 10.88 10.91 10.63 10.42 10.13 9.89 9.74 9.67 10.08 10.87 10.29 10.14 10.90 11.19 10.96 11.46 5.4 10.4 9.7 8.54 9.64 9.78 9.59 9.60 9.93 9.83 8.99 9.41 9.15 8.64 9.11 10.08 9.84 9.75 9.93 9.81 9.81 11.56 10.53 11.74 10.67 6.35 S 13113 * ISI19 ' . OZISI !SI21 ' . ZZIS . GZIS SI24 * . SSIS SI26 • « co UJ co CO co CJ m CT m Tf m 2 a." Iqlac. " : 1 lini.ret.# |SGT11 * T-P- 5 CJ CD co CD Tf CD Ul CD . zog | a. CT 2 > * O) O m * to O CD * Ü U. < U. ¦ 3 Iforaqes * * U) co ü * CO _i Tf _l * * * CO 284 Tabi. 7 Tenç 1.00 K20 -0.72 1.00 Ph 0.69 -0.60 1.00 Tac -0.69 0.95 -0.51 1.00 Dto -0.74 0.99 -0.62 0.97 1.00 Ca -0.77 0.91 -0.67 0.79 0.88 1.00 Ha -0.12 0.57 0.08 0.62 0.58 0.26 1.00 K 0.22 0.01 0.30 0.06 0.02 -0.17 0.44 1.00 Mg 0.19 0.02 0.24 0.24 0.09 -0.38 0.59 0.43 1.00 S iO 2 0.02 0.29 0.26 0.51 0.33 -0.09 O.70 0.30 0.85 1.00 NOS -0.70 0.87 -0.61 0.73 0.62 0.92 0.25 -0.15 -0.32 -0.03 1.00 Cl -0.38 0.72 -0.34 0.52 0.63 0.73 0.46 -0.04 -0.29 -0.05 0.82 1.00 S04 0.Sl -0.71 0.17 -0.61 -0.70 -0.55 -0.51 0.08 -0.23 -0.65 -0.62 -0.46 1.00 Sr 0.61 -0.33 0.74 -0.13 -0.31 -0.60 0.40 0.33 0.67 0.71 -0.54 -0.35 -0.18 1. .00 Ba -0.15 0.25 -0.38 0.28 0.30 0.08 0.16 0.42 0.42 0.16 0.11 -0.05 0.08 -0. .15 1 .00 Ll 0.21 -0.28 0.09 -0.10 -0.21 -0.56 0.06 0.28 0.79 0.42 -0.48 -0.55 0.18 0. .35 0. .58 F- 0.15 -0.47 0.02 -0.44 -0.43 -0.47 -0.34 0.05 0.16 -0.22 -0.43 -0.49 0.53 -0 .11 0. .18 Temp K20 Ph Tac Dto Ca Na K Hg Si02 N03 Cl S(M Sr Ba Tabi. 7: Matrice des coefficients de corrélation relatifs aux eaux de l'aquifère de Ia Tuffière, établie sur la base des données du tabi. 7. Contribution à l'étude des eaux souterraines de la région de Fribourg Tabi. 8 (1/8) 285 N03 550 555 560 565 570 575 580 585 590 595 Figure de localisation des points d'eau pour le tableau 8: Les numéros des points d'eau situés sur cette figure correspondent à la partie droite des numéros de référence des analyses du tableau. La partie gauche de ces numéros de référence (XX, MM, LL. WW, IJ ou TH) est Ie "nom" de chaque tournée de prélèvement. Tabi 8: Tableau des analyses physicochimiques relatives aux campagnes d'échantillonnage d'automne 1985 et 1987, paramètres principaux. 286 Tabi. 8 (2/8) C s* ai on ©m •- co o n Tf o ,J d o ci ..' ui co o co tj ¦<* w w — « n co •¦ »¦ o Pl i- CM OJ O n cm u) co co Tf CO O O Tf r- O (O O »- T- N O) — — co to m o m (D Ul Ol (O O CO 1 N CO (D T (O Ul CJ O a> T- O o (O T- (O ui o o o o o o o o •- — T-O-Ot- t-OO T-OO--0 T-T-OOO U CO 1^ •* O) (O O O O O -^ CO OJ N CO — O CO Of Ol O IO CO O Tj- (D O O O O W (O Ui ui co (O N Ò'O) I OI CO OJ O O T- Cl OI CO T- « (O Ol N O Cl OJ Ol Ol Ol "inNOfli CM fi Tf ci OJ (û n t- co ci T- (D Ol CO Tf N N (D V P) ui b n n (O (O T- T- (O (D CJ Cl O O) NO MA (O (O (O Cl — O oi (D oi ò ri (O I"» T- Ol O) ^w Mn o Ul Ul Ol Ol Cl N CON W N CD (O OJ Uì Tf (O Cl O O T- n ui T- oi oi co n ci q CO (O Cl U O) O» O (D Cl Ul OJ T- T- Cl T- N N O « O) OJ Is" T- Cl (O CJ T-T- ON CO CM U) N T- Cl C) Cl IO CM O O CJ N CJ T- CJ 4 ~ lì *? + a Z E O) Ul Cl N O (D O O) COOl(DO(DCOO)(D O) T- O) (O (O O (D Tf TJ- CO (T) O TJ- (M O (O (O O Uì CJ T- Oi to ui co co OJ (D O (O OJ r- Cl U) Ul CO C) O N Ol O) TT T- CJ OJ (O CO (O TJ- o O) O) O CO O CO O O Ol uì ui co Tj- r- (O N N IT Ol T-T-TJ. 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O 01 ; s (Q Ö J E — W * ä >-il 4 630 T 4 630 T 5 630 T 8 630 T 5 680 3.0 8 655 3.0 3 680 T 5 660 3.0 1 675 3.1 1 675 S 1 675 S 1 675 S 1 675 S 5 580 2.2 1 600 2.0 9 780 3.2 1 650 3.0 1 675 S 8 615 T 8 615 T CM CM t- CJ T- O CM (M CM T- 5 580 2 9 1620 5 2 600 3 8 990 3 5 490 2 6 600 2 7 545 2 9 490 2 9 540 2 5 770 3 (D (D (D (D (O fS. I*. pS. fs. fS. r- (D co <û t* fs. ps r*. rs r- -J Tj rs r-. •J T- T-fs. 00 00 Cm (O «J fs- rs s s s r. r- T- CO fs. fs. fs, fs. |s. CO of) CO ^¾ ^o rs. fs. p.. (^ rs. co co co co co rs rs co co fs- rs. rs CO CO CO rs.fs.rs.rs.fs. 00 CO CO CO CO rs.ps.rs.r-.rs. co co co co co I— CO CO 00 Is-CO CO CO 00 00 ü: -a Q Q, T- T" T- N T- rs to to r- r- r-s rs rs. co co œs Noo CO 00 CO O T- Cl Ul U) Ul O) O O O O CM Nom du point d'eau { S. - source. P - oults ) S. BAUME 1 S. BAUME 2 S. BAUME 3 S. BAUME 4 S. 07 BAUME PlEZOFA PIEZO S5 SOURCE 06 BEYELER S. 09 ILLENS LAC GRUYERE SURFACE IDEM -5 M IDEM -10 M IDEM ILE DOGOZ PUITS MATRAN 2 SOURCE MOLASSE MATRAN P. BOIS BOULEYRES S. POSAT LAC DE LA GRUYERE -30 M S. SIFR DRAIN E S. SIFR DRAIN W MATRAN. PUITS 1 S. GITE D'ALUERE LA BERRÀ S. COUPE HAUTERIVE S. PRA RABOU. J.PILLER S. CHANDON MOLASSE GAL VERS-CHEZ-SAVARY F. AOUIT POMY PCO F. CHATTlEN POMY SE3 F. AQUIT CUARNY CY1 SOURCE STOLZBmMUEHLE Num. ré*. *- CM Cî •» fs-CD OQ CQ CO O THFA THS5 TH06 TH09 THL1 THL2 THL3 THL4 THMI THM3 THVI THPI THL5 THSE THSW THM7 W113 W114 Wl 15 Wl 16 Wl 17 Wl 18 W119 W120 USZ Tabï. 9 (1/3) 293 Numéro Nom du point d'eau Date de Coor. X Coor. Y AItIl Classe! K 20 Zn + + Fe + + Sr + + Ba + + Li + F - réf. ( S. = source. P - puits 1 ïrélèvemen fkml Ikml [msm liiS/cm nfl/l nq/l nq/1 U-q/l uq/l uq/l XX09 PUiTSHORIAWALDGUtN 18/10/85 581.6 187.9 595 6.0 642 5 23 377 164 62 XX13 SOURCEJUNKERGRABBM 18/10/85 586.8 183.8 795 2.2 356 0 5 312 22 33 XX14 PUfTSSOOBACH 18/10/85 590.7 185.8 660 6.1 493 9 48 364 82 35 XX24 PUfTSGAME 21/10/85 580.6 177.6 735 6.2 577 1 5 38 406 91 39 XX33 S.AVENCHESOLEYRES1 21/10/85 566.9 189.1 560 2.2 437 3 8 196 8 79 XX40 S. RDNTAJNE FROIDE BERRÀ 22/10/85 579.9 170.4 1560 5.2 325 328 227 517 58 101 50 XX41 S. LA MONTAGNETTE BERRÀ 22/10/85 580.1 170.9 1460 5.2 245 1 1 9 320 30 33 XX45 PUITS PROUVIN 22/10/85 572.4 173.5 753 3.1 586 153 55 360 53 23 52.3 XX46 KAISA D'AVAU 3 PUITS ANC. 22/10/85 571.5 173.9 742 3.1 535 6 4 450 45 36 XX50 PUITS 2-4 HOFMATT 25/10/85 587.5 181.2 750 6.2 468 2 1 613 127 63 XX53 S. RUSSY PONTHAUX 26/10/85 570.0 184.7 650 3.0 618 305 156 347 78 79 50 XX55 P. NESSLERA ST SYLVESTER 28/10/85 581.5 178.0 675 6.2 536 20 30 418 80 33 XX61 S. LE RUSSEL PONTHAUX 30/10/85 569.7 184.3 660 3.0 597 0 37 295 52 55 XX72 PUITS ECHARLENS 30/10/85 571.6 166.3 718 6.1 540 40 88 346 130 46 XX81 P. CHAMP DU VUAZ LUCENS 28/1 1/85 555.5 174.2 480 5.0 596 482 3043 325 68 49 57.4 XX82 S ALCAUNA G. HENNIEZ 28/1 1/85 558.0 176.6 510 3.1 612 87 33 360 62 51 XX83 PUITS 13-CANT. HENNIEZ 28/11/85 555.8 175.0 480 5.0 637 870 493 329 96 70 50 XX89 P. CHEVREFU 1 CHABLES 28/1 1/85 553.7 186.0 555 2.1 603 74 485 262 28 74 XX94 P. LA VERNAZ CORCEULES 28/1 1/85 563.4 187.4 446 6.0 807 9 47 464 181 53 XX95 P. NESTLE PAYERNE 28/11/85 561.7 185.2 450 6.0 715 400 580 498 95 51 50 X105 S. SANDU, JAUN 04/12/85 589.9 160.7 1090 1.2 301 45 10 627 23 15 Xt06 P. PONT-DU-ROC BULLE 04/12/85 581.7 161.8 880 1.1 424 38 170 947 46 26 X108 P. PASQUIER, GRANVILLARD 04/12/85 572.5 154.6 750 1.1 334 6072 4892 615 45 1 8 73.2 X109 P. CAMP MILIT. GRANDVILL 04/12/85 572.6 155.8 750 1.1 420 6336 4881 702 59 58 .... X110 PIEZO 2 GRANDVILLARD 04/1 2/85 573.1 155.8 750 1.1 401 6305 3842 158 30 1 5 .... X111 PIEZO 8 GRAVIERE GRANDVl. 04/1 2/85 573.4 155.4 750 1.1 407 6207 805 529 40 38 ... MMG2 S. GRABOZ 2 28/10/85 573.7 178.1 610 3.0 631 1 1 32 406 72 27 M MG 3 S. GRABOZ 3 28/10/85 573.6 178.2 610 3.0 606 2 20 400 83 29 MM20 S. SIFR 20 28/10/85 574.6 177.8 615 7.1 393 32 42 454 106 75 MM23 S. SIFR 23 28/10/85 574.4 177.8 615 7.0 459 1 7 50 539 112 86 MM26 S. SIFR 26 28/10/85 574.2 177.7 620 7.0 559 38 36 394 133 49 MMB3 S. BAUME 3 28/10/85 574.5 176.5 630 7.1 352 20 42 470 88 58 MM07 S. 07 BAUME 28/10/85 574.4 176.5 680 3.0 607 453 37 349 64 41 MML2 IDEM -5 M 28/10/85 575.0 174.1 675 8.1 343 416 72 770 43 35 MMM1 PUITS MATRANI 28/10/85 574.2 181.5 580 2.2 410 45 337 2104 78 83 WW01 S. BOIS FOSSAU LECHELLES 28/1 1/87 569.4 186.2 625 3.2 498 97 136 344 85 77 78.2 WW02 PUITS BAUMES LECHELLES 28/1 1/87 569.2 187.1 560 6.1 547 90 194 370 90 75 75.4 WW03 S.LESCREUXLECHELLES 28/11/87 567.7 187.4 590 2.2 382 4 236 177 9 65 96.2 WW04 PUITS VILLAREPOS 01/1 2/87 572.2 192.2 475 4.1 564 431 4833 701 176 137 121 WWOS S. FONTAINIERS MONTAGNY 11/1 1/87 565.5 183.0 575 3.2 550 10 161 404 94 71 67.3 IJMC SOURCE MC MCNTAGNY 11/11/87 566.3 183.1 595 3.1 511 14 134 258 25 4 38.7 WW08 SOURCE LAITERIE BELFAUX 28/1 1/87 573.4 186.1 620 3.1 541 0 344 224 20 40 64.8 WW09 PUITS HORIAWALD GUIN 04/12/87 581.6 187.9 595 6.0 637 0 115 386 181 49 58.2 WW10 S. TALMATT ST ANTONI 04/12/87 586.6 186.2 695 3.2 544 0 386 265 43 34 48.6 WW11 LETTISWIL PUITS 04/12/87 589.2 185.4 745 3.1 506 0 184 242 35 28 52.1 WW12 PUITS ARTESIEN MOOS 04/12/87 587.2 184.1 750 3.2 387 168 349 185 23 35 60 WW13 SOURCE JUNKERGRABEN 04/12/87 586.8 183.8 795 2.2 353 0 146 305 23 34 62.1 WW14 PUfTSSODBACH 10/1 1/87 590.7 185.8 660 6.1 481 164 71 358 88 27 48.2 WW15 SINGINE SENSEGRABEN 10/11/87 590.9 185.3 650 8.1 462 5 196 1181 63 38 51.7 WW16 S. HAYOZ JETCHWIL 10/1 1/67 561.7 186.9 645 3.0 630 161 311 327 72 45 41.3 WW17 PU1TS1 MARLY 16/11/87 579.6 179.9 625 6.1 512 0 594 487 96 44 58.9 IJY2 SOURCE Y1 MARLY 16/1 1/87 579.8 180.2 625 3.1 584 72 330 444 133 64 58.3 IJY1 SOURCE Y2 MARLY 06/1 1/87 579.4 180.3 625 3.1 556 49 429 401 145 63 52 WW20 GERINE MARLY 02/12/87 577.5 180.5 606 8.1 400 226 369 495 62 35 54.7 WW21 SOURCE 2 LA MONTAGNETTE 28/1 1/87 565.5 181.0 625 2.1 552 80 171 462 109 89 75.8 WW22 TORNY NCUVEU= SOURCE 24/1 1/87 565.7 181.4 620 3.1 592 55 1 89 421 124 85 78.6 IJON S. ON LA MAISON ROUGE 24/1 1/87 569.5 181.8 645 2.1 563 13 513 332 42 86 65.3 WW24 PUrTSGAME 02/12/87 580.6 177.6 735 6.2 570 24 634 377 92 34 58.5 WW25 PUITSGRENG 25/1 1/87 574.4 195.9 448 6.0 675 0 179 430 106 49 60.6 WW26 S. BOIS DE CRAUX 25/11/87 576.6 196.2 505 2.0 661 0 119 314 34 83 56.2 WW27 S. OBERE PREHL 25/1 1/87 576.4 196.9 495 2.0 658 0 140 413 43 78 70 WW28 S. PREHL 25/1 1/87 576.9 197.2 500 4.0 667 963 201 371 57 96 62.6 WW29 S. ROUGEMONT 25/1 1/87 578.2 198.9 490 2.1 599 1 125 333 61 92 64.8 WW30 P.LOEVEN8ERG 25/1 1/87 577.8 199.8 435 6.0 641 1 7 422 348 84 88 114 WW31 S. CHAMPIGNONIERE 25/11/87 570.5 191.2 530 2.2 51 1 1 5 35 262 60 104 96.9 WW32 S. BAS DES RIAUX 07/1 2/87 569.7 190.8 520 2.2 493 S3 498 269 53 105 86.7 IJA2 S. AVENCHESOLEYRES 1 01/12/87 568.9 189.1 560 2.2 413 38 154 1 74 7 72 104 WW34 S. MOUUN NEUF CHANDON 07/1 2/87 570.9 190.3 495 3.0 625 0 190 297 70 64 53.7 WW35 S. LES BAUMES MR LUTHY 01/1 2/87 573.6 192.5 500 4.0 619 0 186 317 41 40 45.4 WW37 S. HINTERGRABEN TAFERS 09/12/87 584.1 182 2 655 3.1 585 0 92 345 170 42 42.2 WW38 AMEISMUHLE PUITS TAVEL 09/12/87 583.1 183.8 640 3.0 676 59 795 393 104 40 45.9 294 Tabi. 9 (2/3) Mu m èro Nom du point d'eau Date de Coor. X Coor. > AllMjCIossd K20 Zn + + Fe + + Sr+ + Ba + + Ll + F - réf. ( S. - source. P - puits ) rélèvemen [km| fkml msml [nS/cir uq/l nfl/l _Hfl/l ltq/1 UQ/I uq/l WW39 GOTTERCN AMEISMUHLE 09/12/87 583.3 183.1 610 8.0 522 459 152 332 84 28 47.9 WW42 S. FOURCHES HAUTEVILIE 20/11/87 574.5 168.2 690 3.1 536 0 2239 388 128 27 30.2 WW43 S. LES TRONCS VILLARLOD 26/1 1/87 566.0 170.8 890 5.2 423 0 213 227 46 22 71.2 WW44 S. PLANAFAYE VILLARLOD 26/1 1/87 566.7 170.8 935 5.2 494 0 88 348 89 37 64.4 WW46 KAISA D1AVAU 3 PUITS ANC. 02/12/87 571.5 173.9 742 3,1 530 1 1 548 440 47 27 54.1 WW47 KAISA D'AVAU PUITS NEUF 02/12/87 571.6 173.4 745 3.1 536 21 480 383 38 27 WW48 S LAITERIE HOFMATT 14/12/87 587.2 181.6 760 3.1 514 3 247 347 85 40 47.6 WW49 PUITS 1 HOFMATT 14/12/87 586.9 180.9 755 6.2 434 0 148 660 1 1 1 48 58.7 WW50 PUITS 2-4 HOFMATT 14/12/87 587.5 181.2 750 6.2 467 0 218 583 133 52 55 WW51 S. ABBAYE HAUTER[VE 20/1 1/87 575.6 179.5 600 3.0 665 1 2 565 359 1 18 46 50.2 WW55 S. NESSLERA ST SYLVESTER 02/12/87 581.5 178.0 675 6.2 547 0 250 427 93 30 61.6 WWS6 S. SAEGE ST SYLVESTER 02/12/87 583.2 176.5 815 3.1 560 45 219 398 157 78 52.9 WW57 LE MOURET RUISSEAU 20/11/87 579.3 176.9 760 8.0 427 3825 282 289 35 1 6 64 WW58 S. CAPTAGE ULDRY. LE BRY 20/1 1/87 571.7 171.0 920 5.2 470 26 121 243 68 16 56.3 WW59 LONGIVE GRENILLES 17/1 1/87 570.5 175.0 665 8.0 560 2200 212 320 42 16 68.8 WW61 S. LE RUSSEL PONTHAUX 24/1 1/87 569.7 184.3 660 3.0 600 145 79 308 54 45 71.3 WW62 MOUUN DE PREZS.NOREAZ 24/1 1/87 567.6 182.2 560 3.0 657 5 1 14 359 124 39 54 WW63 SOURCE DES ROMAINS 24/11/87 567.6 182.9 555 3.0 547 145 75 361 103 29 44.7 WW64 LA SONNAZ UC SEEDORF 24/1 1/87 570.3 182.7 612 8.0 493 1454 65 325 59 40 71.8 WW65 PUITS LE MOUUNAVRY 24/1 1/87 571.3 183.0 610 3.0 670 147 611 432 100 49 52.6 WW66 S. LES PRARYS. MARSENS 20/1 1/87 568.2 167.8 955 5.1 432 9 249 408 102 45 65.7 WW67 S. GUMEFENS. ASILE 20/1 1/87 570.8 170.3 945 5.2 447 67 171 265 132 23 57.4 WW69 SONGE ECHARLENS 15/1 1/87 572.& 167.2 690 8.0 445 1560 90 332 96 13 61.6 WW70 SARINE MORLON 15/11/87 573.7 162.6 675 8.2 403 342 87 694 49 28 70.7 WW71 JOGNE USINE CAILLER 15/11/87 575.2 161.6 685 8.2 385 3316 122 871 42 33 73.2 WW72 PUITS ECHARLENS 20/1 1/87 571.6 166.3 718 6.1 603 290 4900 380 165 23 48,3 WW73 SOURCE VUIPPENS 20/1 1/87 572.1 167.7 705 5.0 625 0 586 334 109 17 44.9 WW74 SOURCE LES PRES CHENENS 26/11/87 567.2 176.5 680 3.0 587 35 88 354 66 61 63.7 WW75 SOURCE MOULIN CHENENS 26/1 1/87 568.6 175.7 635 3.1 554 8 203 346 45 28 59.5 WW76 S. ESTAVAYER LE GBX 26/11/87 568.1 174.3 715 2.1 558 0 145 315 35 44 40.2 WW77 S. PRA DU CHALET 26/11/87 569.0 171.1 980 5.2 372 1 2 400 353 166 24 44.8 WW78 S. LES PLANCHESVILLARLOD 26/11/87 569.0 171.7 955 5.2 395 0 183 221 104 22 66 WW79 PUITS 2 ECUVILLENS 03/12/87 572.4 179.2 650 3.1 580 366 785 372 77 32 46.2 wweo PUITS 5 ECUVILLENS 03/12/87 572.6 178.8 650 3.1 572 34 170S 385 78 26 46.4 WW81 P. CHAMP DU VUAZ LUCENS 04/12/87 555.5 174.2 480 5.0 587 66 687 387 79 49 57.4 IJHE S SILLON G. HENNIEZ 11/11/87 558.0 176.6 510 3.1 600 0 123 337 63 46 54.2 WW84 PUITS LE BASSET SURPIER. 27/11/87 554.8 176.8 640 3.1 520 3757 6 74 257 1 5 94 61.6 WW85 S. GRANDS ESSERTS CHQRY 27/11/87 553.4 176.8 615 3.1 563 1 63 294 31 76 59.5 WW86 S. LA BAUMAZ CHEIRY 27/1 1/87 553,9 178.6 640 2.1 548 1 2 158 243 9 82 63.7 WW87 FETtGNY PUITS NEUF 27/1 1/87 558.9 182.8 480 3.0 624 304 1711 425 93 63 63.7 WW88 FETlGNY ANC SOURCE 27/11/87 559.5 182.5 465 3.0 641 1055 168 399 111 65 78.5 WW89 P. CHEVREFU 1 CHABLES 27/11/87 553.7 186.0 555 2.1 587 170 4694 271 24 77 35.6 WW90 P. CHEVREFU 2 CHABLES 27/11/87 554.0 186.3 555 2,1 558 5063 4766 279 22 85 39.9 WW91 S. BELLE-VUE FONTS 27/11/87 552.7 187.1 500 2.1 511 45 486 245 20 65 75.8 WW92 S. CHABLES ESTAVAYER 27/1 1/87 551.8 186.3 560 3.0 600 132 145 294 1 0 64 59.5 WW93 PUITS LA GRANGE DES BOIS 04/12/87 558.2 183.3 530 3.1 563 68 571 337 28 1 7 46.3 WW94 P. LA VERNAZ CORCELLES 27/1 1/87 563.4 187.4 446 6.0 768 0 102 493 192 47 41.3 WW96 LA BROYE PAYERNE 04/12/87 561.4 185.1 450 8.0 539 901 183 379 59 39 68.3 IJPA S. LES HACHES PAYERNE PA 11/11/87 564.3 181.6 625 3.1 582 90 164 277 39 73 56.5 WW98 S. BOHEMIENS. PAYERNE 04/12/87 563.2 182.1 560 3.0 651 169 66 307 44 49 57.4 WW99 S. BRETCMNIERE PAYERNE 04/12/87 562.8 181.6 580 3.1 595 94 198 297 34 76 70.7 W101 S. LA CHAUDANNE 15/11/87 573.9 146.1 900 1.2 321 302 125 655 37 30 136 W103 S. CASCADE DE JAUN 20/1 1/87 588.4 162.1 1000 1.2 289 334 55 486 36 1 8 63.7 W104 S. LES MARCHES. BROC 15/11/87 574.2 159.7 700 1.2 272 19 222 144 66 33 68.3 W105 S. SANDLI, JAUN 20/11/87 589.9 160.7 1090 1.2 294 26 415 584 23 4 59,5 W106 P. PONT-DU-ROC BULLE 20/1 1/87 581.7 161.8 880 1.1 409 1 920 91 1 47 20 75.8 W107 S. BONNEFONTAINE. CHARM. 20/11/87 581.0 162.0 880 1.2 346 27 403 473 34 18 87.1 W112 GLANE A MATRAN 07/1 1/87 573.6 180.6 580 8.0 500 1094 6 70 308 50 15 68.3 THG1 S. GRABOZ1 07/1 1/87 573.8 178.0 610 3.1 604 21 71 437 126 1 7 42 THG2 S. GRABOZ 2 07/1 1/87 573.7 178.1 610 3.0 619 11 1 66 408 78 20 40.3 THG3 S. GRABOZ 3 07/1 1/87 573.6 178.2 610 3.0 601 39 97 401 90 1 7 42.1 THG4 S. GRABOZ 4 07/1 1/87 573.7 178.3 610 3.0 643 244 139 415 73 14 42.3 THG5 S. GRABOZ 5 07/11/87 573.6 178.4 610 3.0 643 331 140 409 78 37 45.3 THT1 S.SGT1 07/11/87 573.9 177.9 610 3.1 576 225 36 408 152 41 45.8 TH11 SOURCE 11 TUFRERE 07/11/87 574.1 177.9 610 3.1 533 121 45 370 134 41 47.3 TH18 S. SIFR 18 10/1 1/87 574.7 177.7 615 7.1 424 95 125 384 104 46 48 TH19 S. SIFR 19 10/11/87 574.7 177.7 615 7.1 375 114 166 462 1 14 55 51 TH 20 S. SIFR 20 10/1 1/87 574.6 177.8 61 5 7.1 389 1 294 469 122 62 53.3 TH21 S. SIFR 21 10/1 1/87 574.5 177.8 61 5 7.1 41 1 39 57 520 120 67 66.5 TH22 S. SIFR 22 10/1 1/87 574.5 177.8 615 7.1 430 11 1 391 557 121 77 92.6 TH23 S. SIFR 23 1 1/1 1/87 574.4 177.8 615 7,0 471 134 186 585 132 79 85.7 295 Tabi. 9 (3/3) Numéro Nom du point d'eau Date de Coor. X Coor. Y AItIt Classai K20 Zn + + Fe + + Sr + + Be + + Li + F - réf. { S. - source. P - putts ) jrélôvemen IKm] Ikml [msm (nS/crr M-q/l Hfl/I uq/l uq/l ng/l tiq/l TH24 S. SIFR 24 11/11/87 574.3 177.7 620 7.0 515 168 358 556 139 73 78.3 TH25 S. SIFR 25 11/11/87 574.3 177.7 620 7.0 553 20 31 1 468 147 48 62.1 TH26 S. SIFR 26 11/11/87 574.2 177.7 620 7.0 564 29 261 411 1 55 43 50.7 THBI S. BAUME 1 11/11/87 574.5 176.4 630 7.0 519 92 129 501 169 55 61.3 THB2 S. BAUME 2 11/11/87 574.5 176.4 630 7.1 391 28 101 553 124 54 96 THB3 S. BAUME 3 1 1/1 1/87 574.5 176.5 630 7.1 350 33 101 509 101 53 93.1 THB4 S. BAUME 4 17/11/87 574.6 176.8 630 7.1 354 41 371 478 1 1 1 50 92.2 TH07 S. 07 BAUME 11/11/87 574.4 176.5 680 3.0 600 4161 319 354 69 35 52.1 THFA PIE20FA 17/1 1/87 573.6 177.8 655 3.0 622 5228 2462 419 11 1 1 6 47.8 THS5 PIEZOSS 18/11/87 573.9 176.3 680 7.0 516 6302 1895 587 181 86 72.2 TH06 SOURCE 06 BEYELER 18/1 1/87 573.6 178.5 660 3.0 712 398 2 56 409 71 40 63.9 TH09 S. 09 ILLENS 17/11/87 574.2 176.1 675 3.1 577 251 572 354 69 29 63.7 THL1 LAC GRUYERE SURF ACE 17/11/87 575.0 174.1 675 8.1 348 390 1 13 764 45 21 64.2 THL2 IDEM -5 M 17/11/87 575.01 174.1 675 8.1 350 865 542 751 43 1 7 66.5 THM1 PUITS MATRAN 2 18/11/87 574.2 181.5 580 2.2 411 156 1619 2138 90 75 50.2 THM3 SOURCE MOLASSE MATRAN 18/11/87 574.7 181.1 600 2.0 669 63 109 396 54 38 46.8 THV1 P. BOIS BOULEYRES 18/11/87 572.1 172.9 780 3.2 441 114 413 390 65 63 88.5 THP1 S. POSAT 17/11/87 570.5 176.1 650 3.0 622 31 120 342 72 28 42.7 THSE S. SIFR DRAIN E 10/11/87 574.6 177.8 615 7.1 387 8 110 472 117 58 96 THSW S. SIFR DRAIN W 10/11/87 574.6 177.8 615 7.0 508 26 158 495 139 56 73.5 THM7 MATRAN. PUITS 1 18/11/87 574.2 181.5 580 2.2 407 190 2659 2139 87 44 50.2 W113 S. GrTE D1AUJERE LA BERRÀ 08/11/87 580.1 168.9 1620 5.2 265 461 68 449 50 26 50 W114 S. COUPE HAJTERIVE 18/1 1/87 574.9 179.2 600 3.1 591 4 520 342 146 39 51.8 W11S S. PRA RABOU1 J.PILLER 20/11/87 577.2 173.6 990 3.2 462 95 4904 318 23 25 51.8 W116 S. CHANDON MOLASSE 01/12/87 572.0 191.5 490 2.1 579 864 98 376 120 96 87.1 W117 GAL VERS-CHEZ-SAVARY 03/12/87 563.8 183.6 600 2.0 599 47 103 267 22 37 66 W118 F. AOUfT POMY P03 05/02/88 540.8 178.7 545 2.2 976 1753 1395 291 36 429 1320 W119 F. CHATTIEN POMY SE3 05/02/88 540.0 179.9 490 2.2 2810 6328 419 2019 1 3 963 66 5 Wl 20 F. AQUfTCUARNYCYI 05/02/88 542.4 178.9 540 2.2 410 1189 171 693 140 206 665 IJSZ SOURCE STOLZENMUEHLE 29/10/87 593. è 185.5 770 3.1 515 52 159 339 67 27 42.2 Tabi 9: Tableau des analyses physicochimiques relatives aux campagnes d'échantillonnage d'automne 1985 et 1987, paramètres secondaires. Contribution à l'étude des eaux souterraines de la région de Fribourg 296 Tabi. 10 (1/6) Tabi. 10: MESURES ISOTOPIQUES DANS LES SOURCES Nom pt eau Nd No Date prél. 3H Err. 8180 Coordon- Coordon- Ait. prél. Berne [UT] 3H fo/ooì néeX née Y source Graboz G2 G2 254 01-11-86 -10.59 573.70 178.09 610 Graboz G3 EEG3 28 12-02-85 57.8 4.3 -10.44 573.63 178.17 610 HHH MMG3 54 28-10-85 44.7 3.5 -10.52 HOH 00G3 168 19-02-86 -10.41 it n it PQG3 169 09-06-86 46.1 3.7 -10.50 ""« GRG3 1085 13-08-86 -10.62 KHH G3 255 01-1 1-86 37.2 4.0 -10.50 HHH STG3 510 29-01-87 -10.44 HHH G3 511 20-04-87 -10.51 H H TCG3 1084 30-05-87 -10.59 H H G3 1086 21-07-87 -10.52 B H « G3 512 30-09-87 -10.54 H H IKG3 1087 10-12-87 -10.51 H H IMG3 1088 03-02-88 -10.51 H « H I0G3 702 29-03-88 30.1 3.8 -10.54 « H H HHH 702 HHH 33.7 3.0 HHH HHH 702 HHH 39.5 3.6 H 767 31-05-88 33.1 3.0 -10.48 M H ISG3 1027 22-08-88 -10.35 H H G3 1264 10-02-89 33.0 2.9 -10.33 GRABOZAOTRES G1 253 01-1 1-86 49.4 4.0 -10.34 573.75 178.01 610 HHH CA 256 01-1 1-86 -10.47 573.69 178.27 610 «un G5 257 01-1 1-86 45.2 3.9 -10.31 573.62 178.40 610 SIFR 18 0018 120 19-02-86 35.1 3.0 -11.15 574.70 177.66 615 SIFR 19 0019 121 19-02-86 28.2 2.8 -12.09 574.67 177.74 615 SIFR 20 EE20 23 12-02-85 39.8 3.9 -11.76 574.61 177.79 615 MHM HH20 139 13-05-85 -11.62 HHH JJ20 142 15-07-85 -11.44 H H « KK20 145 19-08-85 43.1 3.8 -1 1.50 HHH MM20 52 28-10-85 40.1 3.4 -1 1.79 Il H H OO20 122 19-02-86 36.1 3.0 -1 1.98 HHII PP20 148 01-05-86 31.0 3.4 -1 1.82 HHH PQ20 151 09-06-86 37.2 3.0 -11.76 SIFR 21 0021 123 19-02-86 37.0 3.1 -11.70 574.54 177.79 615 SIFR 22 0022 124 19-02-86 41.7 3.1 -1 1.48 574.48 177.79 615 SIFR 23 EE23 24 12-02-85 63.5 4.4 -1 1.04 574.38 177.77 615 H H « HH23 140 13-05-85 -10.68 HHH JJ23 143 15-07-85 -10.84 « H l> KK23 146 19-08-85 40.1 3.7 -11.01 HHH MM23 51 28-10-85 45.9 3.6 -11.23 HHH 0023 125 19-02-86 46.1 3.2 -11.10 it n it PP23 149 01-05-86 52.2 3.8 -10.95 « H W PQ23 152 09-06-86 46.3 3.2 -10.88 SIFR24 0024 126 19-02-86 51.1 3.3 -10.81 574.31 177.72 620 SIFR 25 0025 127 19-02-86 51.8 3.3 -10.61 574.25 177.69 620 SIFR 26 EE26 25 1 2-02-85 73.8 4.6 -10.35 574.18 177.65 620 HHH HH26 141 13-05-85 -10.30 HHn JJ26 144 15-07-85 -10.34 HHH KK26 147 19-08-85 55.4 4.0 -10.37 HHH MM26 50 28-10-85 68.0 4.0 -10.46 297 Tabi. 10 (2/6) Nom Dt eau to No Date prél. 3H Err. 3180 Coordon- Coordon- Ait. prél. Berne [UT] 3H fo/ool néeX née Y source n m h 0026 127 19-02-86 61.5 3.5 -10.50 HHH PP26 150 01-05-86 57.1 4.0 -10.41 HHH PQ26 153 09-06-86 60.1 3.4 -10.39 SIFR dr. E SSSE 403 28-1 1-86 32.4 3.7 -1 1.79 574.61 177.79 615 HHH TTSE 405 27-02-87 26.1 3.7 -1 1.70 HHH TCSE 407 30-05-87 -1 1.41 HHH TFSE 409 03-09-87 -1 1.20 SIFR dr. W SSSW 402 28-1 1-86 44.7 4.0 -10.82 574.54 177.79 615 HHH TTSW 404 27-02-87 45.1 4.0 -10.88 HHH TCSW 406 30-05-87 48.8 3.9 -10.76 H It H TFSW 408 03-09-87 -10.67 Baume B3 EEB3 27 12-02-85 43.1 4.0 -1 1.92 574.47 176.53 622 H 11 H MMB3 49 28-10-85 35.6 3.3 -12.33 HWH OOB3 118 01-03-86 -12.02 M « « PPB3 508 01-05-86 -11.74 HHH PQB3 509 09-06-86 -11.74 Baume 07 EE07 22 12-02-85 52.1 4.2 -10.12 574.38 176.46 680 HR» JJ07 114 15-07-85 41.9 3.1 -10.23 HMH MM07 53 28-10-85 33.0 3.3 -10.22 H II f> NN07 116 02-12-85 -10.24 H H H OO07 115 01-03-86 -10.25 Piezomètre S103 EES3 26 12-02-85 # # # 5.2 -8.42 573.16 176.43 690 HHH MMS3 57 28-10-85 80.2 4.2 -10.45 HHH 0063 1 19 17-02-86 -10.46 HHH S3 135 17-03-86 65.4 3.8 -10.53 P. Bois Bouleyres MMV1 160 28-10-85 -11.15 572.05 172.91 780 Lac surf Om L1 EEL1 29 12-02-85 43.6 4.0 -12.19 575.00 174.10 675 M H HHL1 174 13-05-85 -12.43 « h n JJL1 175 15-07-85 -11.85 """ MML1 56 28-10-85 31.3 3.2 -1 1.59 It H II OPL1 178 22-03-86 27.4 3.9 -1 1.58 KHH PPL1 180 13-05-86 -1 1.73 HHH PQL1 181 09-06-86 -12.24 HHH QQL1 504 18-07-86 -12.00 HHH QRL1 506 13-08-86 -1 1 .26 HMH TDL1 410 06-07-87 -1 1.03 HHM TEL1 412 05-08-87 -11.10 MHM TFL1 415 03-09-87 -10.79 Lac -5m L2 EEL2 30 12-02-85 43.6 4.0 -1 1.82 575.00 174.10 670 HHH HHL2 173 13-05-85 -12.44 MHH JJ L2 176 15-07-85 -12.19 MHH MM L2 55 28-10-85 35.1 3.3 -11.55 HHH OPL2 177 22-03-86 27.4 3.9 -11.60 HHH PPL2 179 13-05-86 -11 .81 HHH PQL2 172 09-06-86 -12.66 HHH QQL2 505 18-07-86 12.24 MMM QRL2 507 13-08-86 11.93 MHM TDL2 411 06-07-87 -1 1.34 HHM TEL2 413 05-08-87 -1 1 .48 HHH TFL2 416 03-09-87 -11.37 Lac -10m L3 L3 171 13-05-86 -1 1 .86 575.00 174.10 665 Lac -20m L4 OPL4 170 22-03-86 32.1 4.0 -11.62 575.00 174.10 655 298 Tabi. 10 <3/6) Nom pt eau Nd No Date prél. | 3H Err. 3180 Coordon- Coordon- Alt. prél. Berne [UT] 3H fo/oo] néeX née Y source h h n TEL4 414 05-08-87 -11.51 » H M TFL4 417 03-09-87 -1 1.55 Lac autres prélèv. YL1 108 16-08-85 -1 1.29 575.00 174.10 675 «ti H YL2 109 16-08-85 -1 1.83 575.00 174.10 670 HHD YL4 110 16-08-85 -12.46 575.00 174.10 655 KHH YL31 111 16-08-85 -1 1.40 675 « « H YL32 112 16-08-85 -1 1.88 670 KHH YL34 113 16-08-85 -12.24 655 Puits Matran M7 NNM7 117 02-12-85 <1.6 -10.29 574.20 181.50 580 « H H M7 251 31-10-86 -10.25 HHN THM7 566 10-11-87 -10.21 HHH ISM7 1010 26-07-88 1.6 2.7 -10.20 Puits Matran M1... FFM2 31 12-02-85 2.0 3.2 -10.31 574.18 181.45 580 H « H M1 248 31-10-86 -10.21 HHH THM1 565 10-1 1-87 1.9 2.6 -10.15 HMH M4 249 31-10-86 -10.26 HMH M5 250 31-10-86 -10.25 HMH M8 252 31-10-86 -10.24 Henniez AIc. XX82 572 28-1 1-85 45.3 3.6 -10.34 558.00 176.60 510 HMH IBHE 396 03-03-87 34.8 4.0 -10.36 558.03 176.56 510 HHM IEHE 397 01-06-87 45.3 3.4 -10.38 nun h£ 1080 07-07-87 38.9 3.5 -10.29 HMH IHHE 398 04-09-87 40.6 4.0 -10.26 HRH MHE 513 01-10-87 37.5 3.4 -10.29 HHH IJHE 571 1 1-11-87 33.3 3.1 -10.25 M H ILHE 1081 05-01-88 -10.30 41 H INHE 1082 29-02-88 -10.26 DMM DHE 700 28-03-88 17.3 3.0 -10.23 M M « 764 31-05-88 36.5 3.1 -10.26 M H ISHE 1030 02-08-88 -10.23 HMM hC 1083 26-09-88 27.3 3.0 -10.27 Payerne Haches XX97 28-1 1 -85 57.0 3.9 564.30 181.60 625 HHM IBPA 399 03-03-87 41.6 4.1 -10.35 564.30 181.60 625 MHH IEPA 400 01-06-87 40.2 3.4 -10.40 HHH IHPA 401 04-09-87 41.3 4.0 -10.40 HHH HPA 514 01-10-87 39.6 3.4 -10.30 HHH IJPA 568 11-1 1-87 39.2 3.2 -10.34 HHH DPA 701 29-03-88 37.1 3.2 -10.19 H 763 31-05-88 38.9 3.0 -10.28 H H ISPA 1026 13-08-88 -10.30 H H PA 1246 03-02-89 39.9 3.0 -10.27 H R PA 1365 -10.31 Montaqnv-Cousset XX7 17-10-85 36.4 3.2 -8.81 566.30 183.10 595 SChanéa 1 1-1 1-87 22.3 2.8 -9.13 H H MC 1271 1 1-02-89 36.0 2.9 -8.80 H H MC 1366 30-09-89 -8.82 Onnens XX23 1011 19-10-85 23.6 3.2 -10.31 569.50 181.80 645 HHM 1012 03-03-87 22.2 3.0 -10.39 MHM 1013 24-1 1-87 19.8 3.0 -10.39 HHH 1023 29-03-88 20.0 3.0 -10.38 MHH 1024 02-08-88 20.8 2.9 -10.35 MHH OJ 1265 1 1-02-89 13.4 2.7 -10.32 Tabi. 10 (4/6) 299 Nom pt eau N> No Date prél. 3H Err. 3180 Coordon- Coordon- Ait. prél. Berne [UT] 3H fo/ool néeX née Y source n M CN 1367 30-09-89 -11.29 Avenches-A1 XX33 129 21-10-85 -10.01 568.90 189.10 560 Avenches-A2 IBA2 384 09-03-87 9 -10.04 568.90 189.10 560 HWH A2 385 01-06-87 49.9 3.6 -9.98 HHH A2 386 04-09-87 54.9 3.6 -10.03 HHH IJA2 579 01-12-87 53.4 3.3 -9.99 HMH 1089 05-02-88 49.9 3.6 -10.03 HMH IOA2 699 29-03-88 39.9 3.4 -10.01 HHH A2 762 31-05-88 48.0 3.2 -9.99 HHX ISA2 1025 16-08-88 51.1 3.5 -10.03 il « A2 1269 1 1-02-89 49.3 3.2 10.03 Marlv 1-2 XX18 562 18-10-85 53.6 3.7 -10.38 579.40 180.30 625 HHH IBY1 393 03-03-87 47.0 4.2 -10.39 579.40 180.30 625 HHH IEY1 394 01-06-87 44.2 3.5 -10.39 HHH IGY1 395 07-08-87 40.3 4.0 -10.36 « H «1 IJY1 563 16-11-87 37.6 3.1 -10.38 MHM IMY1 1078 03-02-88 41.8 3.4 -10.40 H IOY1 704 29-03-88 -10.42 H Y1 765 31-05-88 42.1 3.1 -10.37 H H ISY1 1029 01-08-88 -10.36 M H ITY1 1079 26-09-88 -10.45 Schwarzenbq SZ 387 02-03-87 -11.80 593.50 185.50 770 S Stolzenmühle SZ 388 01-06-87 48.8 3.6 -10.79 HMH SZ 389 04-09-87 47.4 3.5 -10.74 HMH IJSZ 567 10-1 1-87 45.6 3.3 -10.74 HHH SZ 1090 03-02-88 43.6 3.5 -10.80 HHH OSZ 703 29-03-88 41.1 3.4 -10.78 H 766 31-05-88 43.4 3.2 -10.84 H H !SSZ 1028 01-08-88 -10.64 n n SZ 1253 07-02-89 42.8 3.1 -10.73 M H SZ 1364 04-09-89 -10.78 Source Sodbach XXH 159 1 8-10-85 52.1 4.6 -10.70 590.70 185.80 660 n h 06-06-86 57.7 3.8 H II H 1 4 162 20-06-86 50.0 4.6 -10.79 HMMM WW14 570 10-11-87 44.8 3.4 -10.53 Puits le Game WW24 771 02-12-87 ? -1 1.01 580.60 177.60 735 Font, froide berrà XX40 130 22-10-85 -1 1.76 579.90 170.40 1560 M 40 12-06-88 -11.20 Cousimbert XX41 131 22-10-85 -11.78 580.10 170.90 1460 Kaîsa d'Avau XX46 161 28-10-85 -1 1.18 571.60 173.40 745 HHH WW46 580 02-12-87 -11.23 MHM 46 1009 08-07-88 31.4 3.1 Hofmatt Laiterie XX48 156 25-10-85 58.2 3.6 -10.81 587.20 181.60 760 HHH 48 165 06-06-86 48.5 3.2 -10.78 HHH WW48 582 04-12-87 48.8 3.5 -10.75 Hofmatt puits 3 XX49 157 25-10-85 50.2 4.1 -10.92 586.90 180.90 755 HHH 49 166 06-06-86 50.4 3.3 -10.76 MHH WW49 583 04-12-87 43.1 3.4 -10.79 Hofmatt p. 1-2 XX50 158 25-10-85 54.4 4.7 -10.91 587.50 181.20 750 n n n 50 166 06-06-86 57.7 3.8 -10.75 MHH WW50 584 04-12-87 42.3 3.3 -10.79 Ponthaux Russy XX53 132 26-10-85 -10.19 570.00 184.70 650 300 Tabi. 10 (5/6) Nom pt eau hb No Date prél. 3H Err. 9180 Coordon- Coordon- Ait. prél. Berne [UT] 3H fo/ool néeX née Y source ST Silvester Säqe 56 18-06-88 -10.91 Puits Echarlens WW72 1006 33.7 3.1 ? 571.60 166.30 718 Pra du Chalet Villa. WW77 769 26-1 1-87 -11.18 569.00 171.10 980 H 77 770 14-06-88 -11.10 Planches Villarlod XX78 134 06-1 1-85 -1 1 .29 569.00 171.70 955 H WW78 768 26-1 1-87 -11.45 Cheirv Baumaz XX86 133 28-11-85 61.9 4.1 -10.44 553.90 178.60 640 « « » WW86 574 27-1 1-87 53.0 3.6 -10.37 Fétiqny, puits neuf XX87 576 28-11-87 -10.06 558.90 182.80 480 HHH WW87 575 28-11-85 -10.06 Chèvrefu E XX90 1007 28-11-85 35.3 3.4 554.00 186.30 555 P Vernaz Corcelles XX94 578 28-1 1-85 57.0 3.9 -9.84 563.40 187.40 446 HHM WW94 577 27-1 1-87 41.6 3.6 -9.79 Cascade Jaun 103 22HeUr1 1374 27-07-89 -10.52 588.40 162.05 1000 M M 18 H 1375 07-08-89 -10.72 W « 18 H 1376 08-08-89 -11.22 H H 10 H 1377 09-08-89 -10.40 n ¦ 17 H 1378 13-08-89 -10.12 * H 22 H 1379 06-10-89 -11.39 h h 12 H 1444 31-07-89 -11.81 n n 12 H 1445 01-08-89 -11.47 w n 12 H 1446 02-08-89 -11.55 n n 1 H 1447 05-08-89 -11.35 H h OH 1450 07-08-89 -1 1.62 H H 12 H 1452 08-08-89 -1 1.03 n n 10 H 1453 09-08-89 -11.03 » H 6H 1454 09-08-89 -11.35 n n 13 H 1455 09-08-89 -11.26 n h 17 H 1456 09-08-89 -11.05 m n 21 H 1457 09-08-89 -11.15 « K 1 H 1458 10-08-89 -10.91 w n 5H 1459 10-08-89 -10.84 n n 13 H 1461 10-08-89 -10.58 n h 21 H 1463 10-08-89 -10.60 n h 1 H 1464 1 1-08-89 -10.62 n h 13 H 1465 1 1-08-89 -10.78 H H 21 H 1467 1 1-08-89 -10.64 H M 13 H 1469 12-08-89 -10.36 n n 11 H 1473 16-08-89 -10.55 Sandli Jaun 105 22Heur 1368 27-07-89 -1 1 .99 589.90 160.74 1090 « n 18 H 1369 07-08-89 29.9 2.9 -12.09 " " 18 H 1370 08-08-89 -1 1.98 H H 12 H 1371 09-08-89 -11.93 Il H 22 H 1372 13-08-89 -11.97 « « 20 H 1373 06-10-89 -12.02 Gite d'Allières Ber. W113 564 08-1 1-87 -1 1.15 580.10 168.90 1620 WHHH 113 772 12-06-88 -1 1.47 La Combert Pra-R. W115 573 20-11-87 -10.62 577.20 173.80 990 W H 115 14-06-88 10.62 Pomy P03 W118 696 05-02-88 <2.8 -10.85 540.80 178.70 545 Pomy SE3 W119 697 05-02-88 3.0 0.4 -9.50 540.00 179.90 490 Cuarny CY1 W120 698 05-02-88 <2.6 -10.49 542.40 178.90 540 Tabi. 10 (6/6) 301 Nom pt eau tt> No Date prél. 3H Err. 3180 Coordon- Coordon- Ait. prél. Berne [UT] 3H fo/O0] néeX née Y source Riss - Tuffière 1362 20-01-89 26.1 2.9 -9.17 573.75 178.01 580 T1 Toufruit Matran 1363 03-05-89 30.5 3.1 -10.30 573.90 181.45 590 RIVIERE POUR RELATION 0-18/AL riTUDE Bibera à Biberen 1245 03-02-89 -9.87 Brove à Payerne XX96 1207 28-11-85 -10.22 H H WW96 121 1 04-12-87 -10.01 M H IU3 1214 12-1 1-88 -10.02 M M 1242 03-02-89 -10.05 Brove à Moudon IU4 NW 1215 1 2-1 1 -88 -10.08 « M IU5SE 1216 12-1 1-88 -10.06 M H 1250 04-02-89 -10.15 Brove à Palésieux IU6 1217 12-11-88 -10.13 X H 1252 04-02-89 -10.39 Brave à Roqivue IU7 1218 12-11-88 -10.29 (pont rte Chatel) 1251 04-02-89 -10.51 Glane à Matran X112 58 28-10-85 44.3 3.5 -10.66 .6/180.6 580 n n 1243 10-02-89 -10.27 Gottéron, rivière XX39 155 22-10-85 54.3 4.2 -10.61 Ì.3/183.1 610 HHH 39 164 20-06-86 46.0 3.2 -10.63 HHH WW39 581 09-12-87 -10.43 Sarine à Broc XX70 1206 30-10-85 -12.02 Pont de Morlon WW70 1210 15-1 1-87 -11 Al Sarine à la X102 1208 30-11-85 -11/91 Chaudanne W102 1209 05-1 1 -87 -11.64 Sinqine rivière XX15 154 18-10-85 48.6 3.4 -10.93 n n n 1 5 163 06-06-86 34.3 4.2 -10.91 « ti « WW15 569 10-1 1 -87 -10.75 Vevevse à IU8 1219 12-1 1 -88 -11.51 Chatel St-Denis Tabi 10: Tableau des mesures isotopiques relatives aux eaux souterraines de la région située entre les Préalpes fri bourgeoises et Ie lac de Neuchâtel. Contribution à l'étude des eaux souterraines de la région de Fribourg 302 Tabi. 11 et Tabi. 12 Matrice de c< jrrélation. toutes les observations sauf es valeurs de i 3 molasse AlIiI. i K20 -.591 1 TAC -.48* .922 i Dio. -.588 .985 .947 1 Ca++ -.476 .934 .88 .936 i Na+ -.217 .559 .491 .491 .472 1 K+ -.219 .33S .33 .265 .338 .276 Mg+ + -.529 .56S .585 .595 .28 .277 .026 1 S02 ¦ AA& .63S .655 .645 .451 .326 .13 .753 1 N03- -.477 .757 .601 .736 .69S .326 .176 .429 .622 i Cl- -.494 .821 .63S .768 .759 .64 .225 .374 .484 .742 1 S04-- -.036 -.248 -.457 .257 -.231 -.143 -.045 -.178 -.428 ¦ -.286 -.222 1 Sf+ + .114 -.27! -.391 -.286 -.222 -.009 -.073 -.282 -.548 -.347 -.224 .675 1 Ba.+ -.11 .188 .232 .169 .163 .172 .06 .15 -.097 .005 .069 -.097 .245 1 Li. -.315 .198 .219 .223 -.062 .269 -.101 .761 .462 .092 .064 .059 -.053 .112 1 F- ,075 -.355 -.296 -.332 -.447 -.093 -.183 .116 -.013 -.395 -.348 .173 .187 -.065 .407 » I K20 TAC M0+ S02 N03- Cl- S04-- Ba+ Tabi 11: Matrice des coefficients de corrélation linéaires entre les paramètres physico-chimiques des eaux souterraines de la région située entre les Préalpes fribourgeoises et le lac de Neuchâtel: Tous les points d'eau sauf ceux des aquifères profonds de la molasse (160 observations). Matrice*de corrélation, eaux souterraines du I 'lateau AlIiI. 1 K20 -.63 1 TAC -.452 .849 1 Dio. -.618 .975 .904 i Ca*. -.441 .909 .644 .916 1 Na. -.394 .55 .433 .466 .418 1 K+ -.137 .307 .335 .263 .296 .185 i Ug.* -.468 .198 .183 .242 -.161 .144 -.074 1 SI02 -.504 .082 -.065 .092 -.175 .068 -.06 .658 NOS- -.493 .61B .253 .562 .534 .-181 .099 .09« .31 1 CI- -.508 .761 .455 .703 .686 .646 .133 .075 .13 .639 l SCM-- -.462 .37 .231 .388 .212 .177 .155 .462 .268 .151 .192 1 St+ + -.136 .313 .36 .279 .27 .487 .152 .OS -.239 .008 .199 .014 1 8a.+ .056 .187 .283 .183 .223 .246 .135 -.07 -.4 1 -.074 .022 -.013 .622 1 Ll + -.475 .045 .118 .139 -.208 .174 -.1 1 1 .859 64 5 -.044 -.053 .47 .062 -.077 1 F- -.183 -.249 -.152 -.214 -.4 .083 -.189 .44 .489 -.321 -.289 .175 -.029 -.112 .633 I TAC Mg. Ba+ Tabi 12: Matrice des coefficients de corrélation linéaires entre les paramètres physico-chimiques des eaux souterraines de la région située entre les Préalpes fribourgeoises et le lac de Neuchâtel: Tous les points d'eau du Plateau, sauf ceux des aquifères profonds de la molasse (118 observations). Tabi. 13 et Tabi. 14 303 Matrice de corrélation, eaux fortement influencées par les activités humaines Altit, 1 K 20 -.275 1 TAC .169 .69 i Dio. -.252 .94 .797 1 Ca* * .079 .773 .777 .801 i Na* -.061 .543 .207 .3* .332 1 K* -.025 .22S .316 .205 .231 .006 1 Mg*+ -.52 .175 -.051 .223 -.403 -.009 -.079 Si02 -.34 5 .037 -202 068 -.339 -.119 -.031 646 1 N03- -.357 .157 -.165 .166 -.015 -.266 .026 .264 .5 Cl- -.085 .499 .007 .29B .239 .807 -.072 -,019 -.025 -.055 S04-- -.724 ,331 .022 .36B -4.84E-4 .121 .127 .585 .194 .068 .007 l S» + + ' -.203 .589 .317 .46 .48 .407 .132 -.06 7 -.294 -.014 .432 .126 1 Ba.+ -.092 .382 .222 .268 .325 .185 .23 -.098 -.309 .044 .0B .168 .57 1 Li* -.539 .162 -.012 ,247 -.319 -.077 -.026 .902 .66 .169 -.094 .624 -.162 -.199 1 F- -.368 -.038 -.05 ,044 -.262 -.0B -.035 .491 .437 -.141 -.092 .313 -.168 -.167 .6 I TAC DlQ. Ca. Mg+* SÎ02 N03- Tabl 13: Matrice des coefficients de corrélation linéaires entre les paramètres physico-chimiques des eaux souterraines de la région située entre les Préalpes fribourgeoises et le lac de Neuchâtel: Points d'eau du Quaternaire fortement influencés par les activités humaines (44 observations) Matrice de corrélation, eai x faiblement in fluencées par I 5S activités humaines Altit. 1 K 20 -.346 1 TAC -.274 .895 1 Dto. -.376 .977 .951 1 Ca++ -.015 .381 .876 .69B 1 Na+ -.573 .723 .562 .675 .478 1 K* -.sia .742 .554 .705 .529 .822 Mg++ -.796 .236 .242 .276 -.165 .438 .41 1 Si02 -,843 -.044 -.085 -.014 -.332 .262 .2 .703 N03- -.13 .40S .148 .347 .346 .4 7 .625 .004 .027 1 Cl- -.34B .698 .45 .603 .55B .683 783 .106 .049 .673 i S04-- -.443 .359 .348 .411 .189 .054 26 .559 .312 -.068 -.143 1 Sr+ + .023 .277 .287 .25 .183 .463 155 .205 -.19 -.01 I .304 -2.63E-4 1 Ba+ + .354 .17 .213 .17 .226 .026 -.046 -.069 -.541 -.261 .025 .095 .584 1 Ui* -.843 .228 .234 .276 -.12 .268 2S6 .885 .799 -.134 -.04 .67 .007 -.221 1 F- -.661 -.064 -.017 -.031 -.282 -.055 -.103 .54 .798 -.289 -.231 .368 -.364 -.492 .76 ' Mg + SK)2 S04- Sf + + Tabi 14: Matrice des coefficients de corrélation linéaires entre les paramètres physico-chimiques des eaux souterraines de la région située entre les Préalpes fribourgeoises et le lac de Neuchâtel: Points d'eau du Quaternaire faiblement influencés par les activités humaines (26 observations) 304 Tabi. 15 Matrice de corrélation, eaux des Préalpes 1 --523 1 -.437 .6 1 -.492 .992 .65 1 -.432 .959 .636 .982 t -.653 .736 .49 .695 .60S 1 -.816 .822 .4 .795 .729 .738 1 -.452 .743 .494 .704 .564 .716 .651 1 -.491 .183 .431 .199 .197 .093 .176 .256 1 -.44 .275 .445 .316 .294 .394 .465 .23 .331 1 -.725 .681 .469 .676 .608 .724 .902 .562 .117 .762 -.238 .776 -.032 .733 .714 .513 .66 .517 -.133 -.034 .432 1 -.289 .883 .387 .858 .B .778 .687 .752 -.094 .26) .622 .81 1 -.769 .389 .307 .359 .394 .418 .47 .109 .591 .121 .276 .192 .113 1 -.707 .45 .562 .491 .518 .583 .548 .194 .354 .434 .533 .111 .264 .767 1 .193 -.196 .405 -.14g -.171 -4.86E-4 -.304 -.013 -.243 -.096 -.173 -.541 -.153 -.266 .145 I K20 TAC Mg* ? S102 N03- S04- Sf+4 Tabi 15: Matrice des coefficients de corrélation linéaires entre les paramètres physico-chimiques des eaux souterraines des Préalpes fribourgeoises (15 observations). 305 Tabi. 16 Nom Dt eau nb val 318-0 Coordonnées Ait. sou Ait. b.v +/- m Graboz G2 1 -10.59 573.6/178.2 630 695 15 GrabozG3 14 -10.51 573.6/178.2 630 695 1 0 GRABOZAUTRES 3 -10.40 573.6/178.2 620 695 10 S(FR 26 8 -10.39 574.2/177.7 620 700 10 Baume 07 5 -10.21 574.4/176.5 680 715 5 Piezo S103 4 -10.46 573.2/176.4 690 700 10 P. Bois Boulevres 1 -11.15 572.1/172.9 790 900 50 Lac surf Om L1 6 -12.03 575.0/174.1 675 1368 40 Lac -5 m L2 7 -12.07 575.0/174.1 675 1368 40 Lac -20 m L4 3 -12.11 575.0/174.1 675 1368 40 Puits Matran 10 -10.24 574.2/181.5 580 650 20 Henniez AIc. 13 -10.29 558.0/176.6 510 645 40 Paverne Haches 10 -10.31 564.3/181.6 625 660 15 Montaqnv-C. 4 -8.89 566.3/183.1 595 615 5 Onnens 7 -10.35 569.5/181.8 645 700 20 Avenches-A1 1 -10.01 568.9/189.1 560 605 1 0 Avenches-A2 g -10.01 568.9/189.1 560 605 10 Marlv 1-2 10 -10.39 579.4/180.3 625 680 20 Schwarze nbq 10 -10.76 593.5/185.5 770 800 10 Source Sodbach 3 -10.67 590.7/185.8 660 770 25 Font, froide berrà 1 -11.76 579.9/170.4 1560 1610 20 Cousimbert 1 -11.78 580.1/170.9 1460 1530 20 Kaisa d'Avau 2 -11.20 571.6/173.4 745 840 30 Ponthaux Russv 1 -10.19 570.0/184.7 650 665 5 ST Silvester Säqe 1 -10.91 583.2/176.5 840 870 10 Pra du Chalet Villa. 2 -11.18 569.0/171.1 980 1000 10 Planches Villarlod 2 -1 1.35 569.0/171.7 955 1020 1 0 Cheiry Baumaz 2 -10.40 553.9/178.6 640 690 10 Fétiqny, puits neuf 2 -10.06 558.9/182.8 480 490 5 P Vernaz Corcelles 2 -9.82 563.4/187.4 446 455 5 Cascade Jaun 103 8 -11.40 588.4/162.1 1000 1600 50 Sandli Jaun 105 6 -11.99 589.9/160.7 1090 1600 50 Sources Hof matt 9 -10.81 587.5/181.0 755 880 20 Gite d'Allières Ber. 2 -11.40 580.1/168.9 1620 1650 10 La Combert Pra-R. 2 -10.62 577.2/173.8 990 1010 5 Tabi 16: Données concernant Ia relation entre les 918O des eaux souterraines et l'altitude des bassins versants (valeurs d'altitude déterminées sur la base de la topographie et de la géologie). Contribution à l'étude des eaux souterraines de la région de Fribourg 306 Tabi. 17 Paramètre: A2 ON G3 SZ PA Q [l/min] T[0C] K20 pH TAD DtO 67 8.58 413 7.38 218 245 233 8.9 563 7.39 305 341 296 9.6 601 7.32 312 352 1390 9.28 519 7.26 262 299 530 8.28 582 7.41 310 355 Li + Na+ K + Mg++ Ca++ Sr + + Ba+ + 72 3.67 0.76 16.13 71.9 174 7 86 4.88 1.25 25.86 93.8 332 42 29 5.15 0.86 10.06 124.5 400 83 27 6.55 2.2 13.67 98.2 339 67 73 3.54 1.62 19.07 111.1 277 39 N03-S04--F-Cl-Si02 15.2 1 0 103.9 7 14.7 18.1 14.8 65.3 12.2 12.2 25.7 9.7 42 17.1 8.6 22.1 13.3 42.2 13.6 8.8 22.3 14.6 56.5 10.9 12.6 t sej 3H A 3180 A K20 Alpha 20 0.07 5 0.00057 10 + 0 UT 0.11 1 1 0.00042 6.5 0.275 1 7 0.0016 10 0.2 1 4 0.00077 9 0.2 15 0.00224 Tabi. 17: Données hydrogéologiques concernant les sources A2 Avenches/Oleyres 2 PA Haches à Payerne G3 Graboz 3 à la Tuffière CU Onnens SZ Stolzenmühle Schwarzenburg Contribution à l'étude des eaux souterraines de la région de Fribourg RESUME Ce travail poursuit deux objectifs majeurs. D'une part, nous décrivons les principales caractéristiques physico-chimiques et isotopiques (18O et 3H) des eaux souterraines de ia région située entre !es Préalpes fribourgeoises et le !ac de Neuchàtel. D'autre part, l'étude des mécanismes d'écoulement souterrain à l'aide de ces informations et d'autres méthodes d'investigation indirectes est appréhendée. Une première partie traite des eaux liées au substratum molassique du Plateau au sein duquel nous distinguons deux types principaux d'aquifère. Le premier, dit aquifère épidermique est essentiellement tributaire de systèmes d'écoulement locaux. Il contient des eaux dont les caractéristiques se rapprochent des eaux bicarbonatées calciques et magnésiennes issues du Quaternaire sus-jacent et dont le temps de séjour souterrain moyen est habituellement compris entre 5 et 15 ans. Le deuxième type d'aquifère dit profond contient das eaux anciennes très particulières, exemptes de Tritium, qui s'écoulent au sein de systèmes régionaux. La deuxième partie fait l'objet de l'étude hydrogéologique de l'aquifère de la Tuffière situé en milieu Quaternaire et alimenté à part égale par le lac de barrage de la Gruyère et les infiltrations locales. Cette étude se base sur les données de la géologie du Quaternaire, des investigations géophysiques (géoélectrique et électromagnétique VLF-R), de l'hydrodynamique et des caractéristiques hydrogéochimiques et isotopiques. Dans Ia troisième partie, on décrit les caractéristiques physico-chimiques et isotopiques des eaux souterraines dans un cadre régional (eaux du Quaternaire, de la molasse et de diverses formations des Préalpes) mais aussi loca! (comportement et évolution de ces principaux paramètres dans des aquifères représentatifs). Nous tentons de tirer de cette étude des informations sur l'origine et la provenance de l'eau souterraine, son temps de séjour souterrain {à l'aide du Tritium, de C18O, et de la chimie), sa vitesse de déplacement ainsi que !es proportions de mélanges entre divers types ou composantes d'eau. Mots-clés: Suisse occidentale, systèmes d'écoulement souterrain locaux, milieux poreux, traçage naturel, méthode électromagnétique, alimentation naturelle, temps de séjour souterrain, méthodologie ABSTRACT The first objective of this study is to describe the principal characteristics of the groundwaters in the region situated between the Prealps of Fribourg and the Lake of Neuchàtel. The second objective is to study the mechanisms of groundwater circulations by using indirect investigation methods, in particular the physico-chemical and isotopie approach. First, we describe the groundwaters of the Plateau molassic substratum in which there are two general types of aquifer. The shallow aquifer is mainly fed by local flow systems. The characteristics of its groundwaters are very close to those of the overlying quaternary deposits (£a_ • (Mg) - HCQi waters with mean residence time between 5 and 15 years). The second one is the deep aquifer, fed by regional flow systems, with ancient (no Tritium) and very typical waters. The second part of this work is the hydrogeological study of the Tuffière aquifer (sand and gravel), fed in a mean proportion of 45% by the artificial lake of Gruyère. The study is based on data from quaternary geology, geophysical investigations, hydrodynamics and hydrogeochemical and isotopie data. In a third part, we describe the physico-chemical and isotopie characteristics of the groundwaters in a regional geological framework (Quaternary deposits and molasses of the Plateau, flyschs, limestones, marls and evaporites of the Prealps), but in a local framework as welt (behaviour and evolution of these principal parameters in typical and representative aquifers). From this study, we may deduce information about the origin of groundwater, its mean residence time (by Tritium, 18O and chemical methods), its travel velocity and the mixing proportions between several water-types or components. Key words: West Switzerland, local groundwater flow, porous media, natural tracer, electromagnetic method, natural recharge, underground residence time, methodology.