[Thèse] Développement d’une approche expérimentale – OHGE

OHGE

Développement d’une approche expérimentale pour mieux comprendre la signature des eaux de source et l’évolution de la fertilité des sols en zone de moyenne montagne.

Cette étude propose de développer une nouvelle approche via de l’expérimentation en laboratoire à partir de matériaux de terrain. L’objectif est de reproduire à plus petite échelle les processus in-situ afin d’avoir une meilleure maitrise sur les paramètres caractéristiques des réactions ce qui permettra d’améliorer leur modélisation. L’approche que nous proposons combine des études minéralogiques fines, des expérimentations en laboratoire, du traçage isotopique et de la modélisation numérique. Ce travail se fera à deux échelles ; celle du sol et celle du bassin versant. Le site d’étude est le bassin versant du Strengbach ; un écosystème forestier de 80 ha localisé dans le massif vosgien dont les paramètres météorologiques, géochimiques et hydrologiques sont suivis en continus depuis 1986 via l’Observatoire Hydro-Géochimique de l’Environnement (OHGE ; http://ohge.unistra.fr). Les principales thématiques de recherche associées à l’OHGE sont de mieux comprendre et mieux protéger les ressources en eau et en sol (fertilité) dans les zones de moyenne montagne, en particulier face à des perturbations comme le changement climatique, les pluies acides ou la sylviculture.

L’environnement est soumis à de nombreuses perturbations naturelles ou anthropiques, ponctuelles ou long terme. Comprendre comment le milieu va réagir et évoluer dans le temps face à ces variations est un des enjeux sociétaux mais aussi scientifiques les plus importants. En effet il faut d’une part observer pour bien comprendre le fonctionnement des systèmes naturels et d’autre part pouvoir les modéliser pour prédire leurs évolutions futures. Parmi ces grands défis ce sujet de thèse s’intègre dans la question des ressources en eau et en sol dans les zones de montagne. En effet, dans ces environnements, les seules ressources en eau potable sont les sources naturelles qui peuvent être perturbées par le changement climatique ou les pressions anthropiques. Or le trajet de l’eau aussi bien que les processus responsables des caractéristiques physico-chimiques des sources sont encore mal contraints et restent difficile à prévoir et donc à modéliser à l’échelle d’un bassin versant, en particulier parce que la roche en profondeur est souvent mal connue. Le seul moyen de la caractériser est de réaliser des forages non destructifs qui sont coûteux et délicats. Par ailleurs, le premier mètre de sol et les solutions qui y percolent représentent la réserve en nutriments alcalins (K, Ca, Mg) pour la végétation. Or certains sols forestiers sont appauvris en ces nutriments entrainant des phénomènes de dépérissement forestier. C’est ainsi que la fertilité des sols et l’état sanitaire des forêts sont liés à la chimie des solutions du sol, qui dépendent des processus d’interaction entre les eaux et les différents horizons pédologiques. La thèse que nous proposons abordera ces questions sur un bassin versant des Vosges, suivis et équipé depuis 1986 (Bassin Versant du Strengbach). La baisse de fertilité a été observée grâce aux données obtenues sur les sols et les solutions de sols. Plusieurs sources, dont 4 sources captées servant d’alimentation en eau potable sont également suivies, ainsi que des paramètres météorologique, géochimique et hydrologique. Des forages profonds ont été réalisés permettant d’avoir accès aux roches jusqu’à 120m de profondeurs.

Etudes de la signature des eaux

Des travaux précédents ont montré que les différentes eaux du bassin versant (sources, ruisseaux) ont des signatures géochimiques fort contrastées résultantes d’interactions entre des phases primaires et secondaires du granite et dépendantes du chemin préférentiels liés aux réseaux de fractures profonds. Cependant, l’identité et le rôle des phases secondaires contrôlant les flux d’altération sont mal connus et mal contraints, et ce constat est général à de nombreux autres sites à travers le monde.
Plusieurs faciès géologiques seront définis et caractérisés (pétrographie, chimie, lame mince, MEB, DRX, CEC / en collaboration avec le BRGM), provenant de trois forages géologiques représentatifs des différents faciès identifiés sur le site (gneiss, micro-granite, granite plus ou moins hydrothermalisé). Cette étude se focalisera aussi particulièrement sur des échantillons provenant de zone de fractures actives où l’eau actuelle circule. Les assemblages minéralogiques de ces zones seront minutieusement caractérisés car ils contiennent différentes phases secondaires, comme les argiles, qui peuvent contrôler au moins en partie la signature des eaux de sources. Les expérimentations se dérouleront en réacteur à flux ouvert et sur une durée allant jusqu’à un an.

Différentes solutions de circulations seront testées : eau à différent pH (6.5, 3.5), eau de pluie du site, solutions de sol. Les cinétiques de réaction seront suivies par analyses des éléments majeurs et traces en solution. Les processus de dissolution, désorption, reprécipitation seront étudiés en combinant aux études élémentaires des études isotopiques (Sr, U, Li, B). L’évolution de la phase solide sera étudiée par techniques classiques d’analyse minéralogique (DRX, MEB), ainsi que par leurs études chimiques et isotopiques (Sr, U, Li, B). Les caractéristiques chimiques et isotopiques des eaux de sources et des eaux de forage permettront de relier les résultats des expérimentations avec le milieu naturel. Les états de saturation seront modélisés à partir des données chimiques des solutions et des analyses minéralogiques.

Conclusion
Outre une approche nouvelle expérimentale encore jamais développée dans ce type d’environnement, cette étude propose aussi de mettre en place une nouvelle méthodologie qui pourra ensuite être appliqué à d’autres environnements naturels (autres conditions climatiques, géologiques, écologiques, d’anthropisation …)
La première partie de ce travail permettra de mieux caractériser les processus responsables de la biodisponibilité des nutriments comme Ca, Mg ou K pour les forêts et de quantifier le devenir de la fertilité des sols. Ce point est fondamental pour envisager ou non des interventions d’amendement calco-magnésiens ou pour la gestion sylvicole des forêts.
La seconde partie permettra d’avancer sur la compréhension de la signature des eaux de source grâce à l’étude des interactions eaux/minéraux qui ont lieu en profondeurs grâce aux forages profonds disponibles sur le site.
Ce travail apportera des contraintes fondamentales pour avancer dans la modélisation de la signature des eaux à la fois à l’échelle des sols mais aussi à l’échelle du bassin versant. Cette approche est nécessaire si l’on veut pouvoir prédire l’évolution future de ces écosystèmes face à des perturbations telles que le changement climatique ou l’exploitation forestière.

Direction : Marie-Claire Pierret marie-claire.pierret@unistra.fr
Co-encadrants : Catherine Lerouge (BRGM) c.lerouge@brgm.fr – Arnaud Legout (INRA) legout@nancy.inra.fr – Damien Daval
(LHyGeS) ddaval@unistra.fr

Cette étude s’inscrit dans un projet ANR plus vaste : HYDROCRIZSTO – http://hydrocrizsto.unistra.fr
Le projet HYDROCRIZSTO qui a été financé pour 4 ans par l’Agence Nationale de la Recherche (ANR) pour la période dec 2015-dec 2019 (montant : 596 000 euros) a pour objectif de mettre au point un modèle bio-hydro-géochimique à l’échelle du bassin versant, via une approche pluridisciplinaire (géochimie, géophysique, écologie, hydrologie, modélisation numérique).

Publicités

Laisser un commentaire

Entrez vos coordonnées ci-dessous ou cliquez sur une icône pour vous connecter:

Logo WordPress.com

Vous commentez à l'aide de votre compte WordPress.com. Déconnexion / Changer )

Image Twitter

Vous commentez à l'aide de votre compte Twitter. Déconnexion / Changer )

Photo Facebook

Vous commentez à l'aide de votre compte Facebook. Déconnexion / Changer )

Photo Google+

Vous commentez à l'aide de votre compte Google+. Déconnexion / Changer )

Connexion à %s