Coloration des eaux du Port de Marseille au Cap Pinède par des eaux issues de la galerie de la mer

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1 Coloration des eaux du Port de Marseille au Cap Pinède par des eaux issues de la galerie de la mer Avis sur l origine des venues d eau Rapport final RP FR Octobre 2010 M. Moulin

2 Étude réalisée dans le cadre des opérations de Service public du BRGM Ce document a été vérifié par : J.M. Gandolfi date : 04/10/0210 Approbateur : Nom : D. Dessandier Date : 04/10/2010 Signature : Le système de management de la qualité du BRGM est certifié AFAQ ISO 9001:2008. Mots clés : Galerie de la Mer, Karst, Eaux colorées, Gardanne, Marseille, Bouches-du-Rhône. En bibliographie, ce rapport sera cité de la façon suivante : Moulin M. (2010) Coloration des eaux du Port de Marseille au Cap Pinède : avis sur l origine des venues d eau. Rapport BRGM/RP FR, 18 p., 12 ill., 3 an. BRGM, 2010, ce document ne peut être reproduit en totalité ou en partie sans l autorisation expresse du BRGM.

3 Synthèse Le jeudi 15 juillet 2010, une pollution visuelle des eaux dans le port de Marseille (à la hauteur le bassin de Cap Pinède) a été constatée par l Officier du Port de Marseille. La pollution consistait en une coloration orangée intense des eaux du port, qui s est étendue, à son maximum, sur environ 2 ha et qui a disparu au bout de 48 heures. Des eaux à forte coloration orange sont sorties de la cunette de la Galerie de la mer qui se déverse dans la mer justement à Cap Pinède. Le Département de Prévention et de Sécurité Minière (UTAM Sud) suite à l apparition brutale et temporaire de ces eaux colorées dans le Port de Marseille (dans le bassin du Cap Pinède) au droit de l embouchure de la Galerie de la Mer a souhaité interroger le SGR PACA sur l origine des eaux colorées et la relation qu elles pouvaient éventuellement entretenir avec la mine et son exhaure. Le présent rapport conclut l intervention du SGR Au vu des évènements et du contexte hydrogéologique (émergence ponctuelle spatialement et temporaire d une eau très riche en fer et en MES), et compte tenu de la topographie de la Galerie de la Mer relativement aux carreaux miniers exploités, une origine «minière» des eaux colorées est à exclure. La brièveté de l évènement dans la galerie de la mer (coloration orange de l eau pendant quelques jours), la composition de l eau colorée (relativement peu minéralisée, essentiellement chargée en fer et en fines) prouvent qu elle provient du massif de l Etoile dans un secteur constitué de terrains à dominance calcaire, le plus souvent karstifiés. L abondance des précipitations durant les mois précédents, en particulier en juin, a favorisé l infiltration d eau dans le massif, l eau suivant les réseaux de fissuration et de fracture. Des poches sableuses et argileuses, issues de la karstification et de l accumulation de matériaux de décarbonatation des calcaires se sont alors remplies d eau, plus que de coutume. Un évènement inconnu a permis le «débourrage» de ces poches karstiques remplies argileuses et riches en fer. Ce phénomène, bien connu en milieu karstique, n est pas rare, mais il faut la concomitance d évènements pluvieux abondants et/ou de mouvements de terrain pour que les écoulements soient modifiés et puissent sortir en un point dans la galerie. De tels phénomènes, naturels et incontrôlables, pourront donc se reproduire dans l avenir si les mêmes conditions sont à nouveau réunies. BRGM/RP FR - Rapport final 3

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5 Sommaire 1. Introduction HISTORIQUE DES EVENEMENTS LA GALERIE DE LA MER RESULTATS DES PREMIERES INVESTIGATIONS Les données disponibles LE CADRE GEOLOGIQUE LE CONTEXTE HYDROGEOLOGIQUE LE CONTEXTE METEOROLOGIQUE L avis du SGR sur les évènements Bibliographie Liste des illustrations Illustration 1 : le tracé de la Galerie de la Mer (Fond de carte topographique 1/ , IGN) Illustration 2 : Schémas des relations entre la cunette et la galerie s.s Illustration 3 : Photos montrant la coloration de l eau dans la cunette en aval lors de la visite dans la galerie du 19/07/10 (photos UTAM Sud) Illustration 4 : Zone d émergence constatée des eaux colorées, le 19/07/2010 (photo UTAM Sud) Illustration 5 : Résultats des analyses du 19/07 en amont et sur l émergence Illustration 6 : Photo émergence et résultats d analyses amont aval (Puits Morandat) des prélèvements du 26/07/2010 par l UTAM Sud Illustration 7 : Coupe géologique le long de la Galerie de la Mer (Durand, 1979, in CESAME, 2002) Illustration 8 : Tableau récapitulant les principales venues d eau le long de la galerie (CESAME, 2002). En rouge, le secteur de la venue d eau colorée de juillet Illustration 9 : Projection frontale schématique des travaux miniers montrant le schéma d exhaure au moment de l arrêt des travaux (in CESAME, 2002) Illustration 10 : Précipitations (hauteurs journalières) dans les stations Météo-France entre le 1 er mai et le 31 juillet BRGM/RP FR - Rapport final 5

6 Illustration 11 : Comparaisons de données de pluviométrie mensuelle avec les statistitiques dans 4 stations Météo France Illustration 12 : Schéma probable de fonctionnement du karst au droit de l émergence d eau colorée Liste des annexes Annexe 1 Coupes en travers de la Galerie de la Mer (CESAME, 2002) Annexe 2 Analyses chimiques réalisées par l UTAM-Sud : Annexe 3 Relevés météorologiques dans quatre stations du bassin d'aix BRGM/RP FR, rapport final 6

7 1. Introduction Le présent rapport conclut l intervention qui a été demandée au Service Géologique PACA par le Département de Prévention et de Sécurité Minière (UTAM Sud) suite à l apparition brutale et temporaire d eaux colorées dans le Port de Marseille (dans le bassin du Cap Pinède) au droit de l embouchure de la Galerie de la Mer. Le DPSM/UTAM Sud a en effet souhaité interroger le SGR sur l origine des eaux colorées, une relation éventuelle avec la mine et son exhaure lui paraissant très peu probable. Ce rapport rend ainsi compte des observations effectuées in situ suite à l incident et de leur interprétation à la lumière de ce qui est connu du contexte hydrogéologique, à travers notamment des études antérieures menées dans la région. Il a été rédigé dans le cadre du projet du DPSM/DIR PAM10SUD02 (Etudes techniques 2010 Sud) HISTORIQUE DES EVENEMENTS Le jeudi 15 juillet 2010, une pollution visuelle des eaux dans le port de Marseille (à la hauteur le bassin de Cap Pinède) a été constatée par l Officier du Port de Marseille. Il s agissait en fait d une coloration orangée intense des eaux du port, qui s est étendue, à son maximum, sur environ 2 ha et qui a disparu au bout de 48 heures. Ces eaux sont sorties de la cunette de la Galerie de la mer qui se déverse dans la mer justement à Cap Pinède, comme le montre l Illustration 1. Après enquête des services du Port, les réseaux de la SERAM (Société d Exploitation du Réseau d Assainissement de Marseille) furent mis hors de cause. De même, il est apparu que les travaux effectués par l usine Saint-Louis Sucre (SLS), qui effectue des prélèvements / rejets dans la cunette n étaient pas la cause de la coloration des eaux, celles-ci apparaissant déjà colorées en amont de la prise d eau de cette entreprise. Des investigations ont donc été menées par l UTAM Sud dans la Galerie, pour essayer d en savoir plus. Une visite du bassin de la cunette (situé dans la galerie de la mer) a d abord été organisée par l UTAM Sud en compagnie du Service de Police des Eaux (SPE) et de SLS. L'eau du bassin était turbide et les infrastructures étaient recouvertes d'une boue orangée. Des prélèvements ont été effectués à cette occasion, pour analyses par le SPE et SLS. Le 19 juillet, l UTAM Sud a par ailleurs entrepris une visite de la galerie proprement dite, dans le but d identifier la ou les sources à l origine de la coloration (voir 1.3). BRGM/RP FR - Rapport final 7

8 1.2. LA GALERIE DE LA MER La Galerie de la mer est un ouvrage créé au début du XX ème siècle destiné originellement à drainer l exhaure des eaux liées à l exploitation minière de Gardanne. Sa longueur est de 14,8 km, entre le port de Marseille (Cap Pinède, altitude : 0 m) et Gardanne (Puits Biver, cote du fond : + 18 m), comme le montre l Illustration 1. La hauteur sous la voute est de l ordre de 2 m, et sa largeur de plus de 2,5 m. Illustration 1 : le tracé de la Galerie de la Mer (Fond de carte topographique 1/ , IGN). Les punaises en vert correspondent aux prélèvements effectués par l UTAM Sud, le triangle en rouge correspond à la sortie d eau colorée constatée). BRGM/RP FR, rapport final 8

9 Une série de coupes en travers, présentées en annexe 1, permettent d en comprendre la structure. En fait, deux cas généraux se présentent schématiquement (Illustration 2). Illustration 2 : Schémas des relations entre la cunette et la galerie s.s. A l époque de l incident, la canalisation spécifique (en rouge sur le schéma de l Illustration 2), mise en place pour évacuer les eaux du réservoir minier actuellement en cours de remplissage n était pas encore en eau. Qui plus est, elle n est pas reliée à la cunette d où s est écoulée l eau colorée RESULTATS DES PREMIERES INVESTIGATIONS La visite a montré qu une arrivée d eau colorée s est effectivement produite entre le pk (point kilométrique) 9,8 et le pk 10,9, dans un secteur où la cunette n est plus dans l axe de la galerie mais où elle la longe, en étant au contact de la roche encaissante. Plus précisément, il semble qu une exsurgence unique constitue l origine de la coloration des rejets de la cunette, comme le montrent les photos de l Illustration 3. La cunette au pk 10,9 (amont) : eau claire La cunette au pk 9,5 (aval) : eau colorée Illustration 3 : Photos montrant la coloration de l eau dans la cunette en aval lors de la visite dans la galerie du 19/07/10 (photos UTAM Sud). BRGM/RP FR - Rapport final 9

10 Des prélèvements d eau pour analyses ont été effectués par l UTAM Sud, d une part au droit de l exsurgence (pk 9,9, Illustration 4), d autre part en amont de celle-ci (pk 10,9), dans un secteur où l eau était claire (Illustration 3). Zone d émergence # 1 m Eaux colorées Aval cunette Illustration 4 : Zone d émergence constatée des eaux colorées, le 19/07/2010 (photo UTAM Sud). Les résultats de ces analyses, dont la copie est portée en annexe 2 de ce rapport, sont les suivants : Illustration 5 : Résultats des analyses du 19/07 en amont et sur l émergence. Il est difficile de quantifier les flux qui s écoulaient de l émergence lors de la visite du 19/07, mais il est raisonnable d estimer que le débit de l émergence ne dépasse pas 5 à 10 % du débit total de la cunette (estimé à quelques centaines de l/s). La différence entre l amont et l aval de la résurgence apparaît clairement : en amont les eaux portent les caractéristiques d eaux ayant transité dans un secteur minier : riches en sulfates et BRGM/RP FR, rapport final 10

11 de conductivité relativement élevée. Après l émergence d eau colorée, ces eaux sont diluées par des eaux très turbides, riches en fer total, comme le montrent les évolutions respectives de la turbidité, des MES et du fer total, mais moins minéralisées, comme le montrent les évolutions des teneurs en sulfates et des conductivités électriques. Autrement dit, l émergence a amené dans la cunette une eau qui n a pas les caractéristiques d eaux issues de la mine, mais d une eau relativement peu minéralisée mais très riche en matières en suspension et en fer oxydé non dissous. Un suivi analytique continu n a pas été mis en place sur le long terme puisque la coloration des eaux dans la cunette a été en décroissant, et l arrivée d eau fortement colorée n a été que temporaire, comme le montrent les photos et les résultats d analyses ultérieures (Illustration 6). Le phénomène a complètement disparu au bout d environ 15 jours. Illustration 6 : Photo de l émergence et tableau des résultats d analyses amont aval (Puits Morandat) des prélèvements du 26/07/2010 effectués par l UTAM Sud. BRGM/RP FR - Rapport final 11

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13 2. Les données disponibles 2.1. LE CADRE GEOLOGIQUE La galerie de la Mer est un tunnel qui relie la commune de Gardanne au Port de Marseille (Cap Pinède) à travers des terrains variés, constitutifs : à l amont du Massif de l Etoile, puis du plateau de la Mure, et à l aval, du bassin oligocène de Marseille, comme le montre la coupe géologique réalisée le long de l ouvrage en 1979 (Illustration 7). BRGM/RP FR - Rapport final 13

14 Illustration 7 : Coupe géologique le long de la Galerie de la Mer (Durand, 1979, in CESAME, 2002) Les secteurs traversés sont divers. Ainsi depuis Gardanne, en allant vers Marseille sont rencontrés les terrains suivants : - Dolomies et évaporites du Trias dans le lambeau charrié et la bande de Mimet ; - Calcaires blancs du Jurassique terminal, puis dolomies, et enfin calcaires plus ou moins marneux crétacés dans le Massif de l Etoile ; - Calcaires barrémiens (faciès Urgonien) et calcaires argileux hauteriviens dans le plateau de la Mure et la bordure du bassin de Marseille ; - Les Formations tertiaires (Brèches du Vitrollien, puis argiles et poudingues du Stampien) dans le bassin de Marseille LE CONTEXTE HYDROGEOLOGIQUE La localisation des principales venues d eaux est indiquée dans l Illustration 7. Le tableau, dressé par CESAME, 2002 présente leurs caractéristiques (Illustration 8). Le report des pks dans la coupe montre que la venue d eau constatée se situe au droit du massif de l Etoile, dans le secteur des calcaires blancs du Jurassique, réputés pour être généralement karstifiés. De fait, lors de la foration de la galerie, de nombreuses venues d eaux, de sables et d argiles avaient été rencontrées, et avaient nécessité la pose de cuvelage de protection. Illustration 8 : Tableau récapitulant les principales venues d eau le long de la galerie (CESAME, 2002). En rouge, le secteur de la venue d eau colorée de juillet Le schéma de l Illustration 9 permet en outre d identifier les compartiments drainés gravitairement par la galerie. BRGM/RP FR, rapport final 14

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16 Illustration 9 : Projection frontale schématique des travaux miniers montrant le schéma d exhaure au moment de l arrêt des travaux ( CESAME, 2002) LE CONTEXTE METEOROLOGIQUE Des relevés de Météo France ont été acquis pour mieux appréhender la pluviométrie (pluviométrie journalière et statistiques) dans le bassin d Aix et sur le massif de l Etoile durant les six mois qui ont précédé l évènement. Les principaux résultats synthétiques sont présentés dans l Illustration 11. Quatre stations de Météo France ont été interrogées : Aix-en-Provence, Mimet, Vauvenargues et Trets. En annexe 3 sont portés les résultats bruts. Les graphiques montrent tous clairement que les mois de janvier, février, mars, mai et juin sont au-dessus des normales (cumuls mensuels), traduisant un cumul annuel sensiblement supérieur au cumul moyen pour la même période (20 à 25 ans de statistiques selon les stations). Qui plus est, le mois de juin a connu de très intenses précipitations qui sont tombées en quelques jours, comme le montre le graphique de l Illustration 10. Illustration 10 : Précipitations (hauteurs journalières) dans les stations Météo-France entre le 1 er mai et le 31 juillet BRGM/RP FR, rapport final 16

17 Données Moyennes mensuelles Comparaison cumuls mensuels 2010 avec moyenne de la série à AIX-EN-PROVENCE Données Moyennes mensuelles Comparaison cumuls mensuels 2010 avec moyenne de la série à MIMET Données Moyennes mensuelles Comparaison cumuls mensuels 2010 avec moyenne de la série à TRETS Données Moyennes mensuelles Comparaison cumuls mensuels 2010 avec moyenne de la série à VAUVENARGUES Illustration 11 : Comparaisons de données de pluviométrie mensuelle avec les statistitiques dans 4 stations Météo France. BRGM/RP FR - Rapport final 17

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19 3. L avis du SGR sur les évènements Au vu des évènements et du contexte hydrogéologique (émergence ponctuelle spatialement et temporaire d une eau très riche en fer et en MES), et compte tenu de la topographie de la Galerie de la Mer relativement aux carreaux miniers exploités (voir Illustration 9),une origine «minière» des eaux colorées est à exclure, pour trois raisons au moins : les carreaux drainés par gravité dans la Galerie de la Mer sont peu nombreux, et l eau qui en provient possède une «signature» hydrochimique bien nette (eaux globalement minéralisées, issues de mélanges entre des eaux sulfatées et sodique, chlorurées calciques, toutes deux très minéralisées et des eaux peu minéralisées, provenant pour l essentiel des calcaires du Jurassique par drainance ascendante) ; le drainage de ces carreaux s effectue depuis l amont de la galerie, c'est-à-dire depuis l amont du puits Biver. Ces eaux constituent d ailleurs les écoulements de ce qui a été dénommé ci-dessus «l amont» ; a contrario, l eau colorée en orange dans un premier temps, semble avoir une composition similaire à celle des eaux circulant rapidement à travers des réservoirs carbonatés de surface : riches en hydrogénocarbonates, de conductivité électrique inférieure à 1000 µs/cm mais parfois riche en MES. La brièveté de l évènement (coloration orange de l eau pendant quelques jours), la composition de l eau colorée (relativement peu minéralisée, essentiellement chargée en fer et en fines) indique que cette eau proviendrait du massif de l Etoile, encaissant du secteur du pk 10 (terrains à dominance calcaire, réputés karstifiés, Illustration 12). arrivée d eau Précipitations MASSIF DE L ETOILE Cavité karstique Ennoyage par l eau d infiltration Remplissage argileux Infiltration / accumulation Emergence Galerie de la Mer Illustration 12 : Schéma probable de fonctionnement du karst au droit de l émergence d eau colorée. L abondance des précipitations durant les mois précédents, en particulier en juin 2010, a favorisé l infiltration d eau dans le massif, l eau suivant les réseaux de fissuration et de fractures. Des poches sableuses et argileuses, issues de la karstification et de l accumulation de matériaux de décarbonatation des calcaires se sont alors remplies BRGM/RP FR - Rapport final 19

20 d eau, plus que de coutume, mettant fortement en charge ces eaux dans les conduits karstiques. Un évènement inconnu, qui pourrait être d origine sismique, a soudain rompu l équilibre précaire qui s était créé, créant un effet de chasse et activant des fissures jusque-là hors de réseaux actifs. Les eaux ont convergé vers l émergence de la Galerie, entrainant une eau très chargée en fer et en matières en suspension. Ce phénomène, appelé «débourrage» se rencontre dans d autres situations semblables en milieu karstique, notamment à l occasion de pompages d essai dans des ouvrages quand ceux-ci sont «développés», c'est-à-dire quand ils sont soumis soit à un sur-pompage, soit à une injection d acide chlorhydrique destinés à faire circuler l eau plus vite et à travers des réseaux de fissures / fractures jusqu alors non circulants. La probabilité qu un tel évènement arrive est fonction de plusieurs facteurs : 1. L état de fracturation et de karstification du réservoir traversé : bien que nous ne disposions pas de données très précises, car peu d étude ont été menées spécifiquement sur le massif de l Etoile, le massif de l Etoile est habituellement divisé en plusieurs secteurs : o une zone centrale, dite «zone dolomitique», où, par définition, les roches sont majoritairement des dolomies (carbonates de calcium et de magnésium). Elle réputée peu karstifiée ; o une zone périphérique, constituée de calcaires massifs karstifiés, et de calcaires marneux voire argileux. C est au droit de cette zone que l émergence des eaux colorées a été identifiée. 2. La présence d argiles, riches en fer, et c est le cas, à la fois dans la zone centrale dolomitique et dans la zone calcaire karstifiée. Ces argiles sont issues de la décarbonatation des calcaires et s accumulent soit dans les fractures, soit dans des poches karstiques. Elles sont entrainées, par effet de chasse et le fer, rapidement oxydé par le milieu, précipite en grande quantité dans l eau. 3. La présence circulante d eau en grande quantité, les relevés météorologiques l ayant montré, est probable au vu des cumuls, à la fois quotidiens en juin et mensuels depuis le début de l année. L intervention d un évènement d ordre sismique susceptible de modifier brutalement les écoulements, même de façon localisée, est également nécessaire. BRGM/RP FR, rapport final 20

21 On le voit, la concomitance de ces aléas a fait que le risque de voir se déverser dans la Galerie de la Mer des eaux karstiques riches en MES, en particulier en fer précipité, est grand, et que cela constitue une explication plausible aux évènements survenus le 15/07/2010. Des conditions similaires peuvent se retrouver dans le futur sans qu il soit possible de les détecter et de nouveaux réseaux pourraient faire l objet de chasse identique à celle de juillet La seule manière d empêcher des eaux colorées de se retrouver dans le port serait de créer des bassins de décantation en aval de la galerie pour piéger les particules de fer et permettre la mise en œuvre d un système d alerte efficace. Cela étant, vu la configuration du site et les débits attendus (2000 m³/h), cette solution s avère très difficilement réalisable. De plus, les faibles risques engendrés par les rejets colorés, qui ont une occurrence faible, la rendent peu adaptée. BRGM/RP FR - Rapport final 21

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23 4. Bibliographie CESAME (2002) - Concessions minières de la région de Gardanne, Etude hydrogéologique. Rapport CESAME, vol. 1 : Texte, vol. 2 : Figures. Chalumeau, A (2000) - Fonctionnement hydrogéologique des exploitations de lignite du bassin de Fuveau (Bouches du Rhône). Thèse Université de Franche-Comté, 28 février GEODERIS (2003) - Expertise internationale du dossier d'arrêt définitif des travaux des concessions de Gardanne (13). Rapport GEODERIS 03 PACA-5001R03, 64 p. 20 fig. BRGM/RP FR - Rapport final 23

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25 Annexe 1 Coupes en travers de la Galerie de la Mer (CESAME, 2002) BRGM/RP FR - Rapport final 25

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27 BRGM/RP FR - Rapport final 27

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29 Annexe 2 Analyses chimiques réalisées par l UTAM-Sud : I - Analyses amont aval émergence en date du 19/07/2010 (4 pages) BRGM/RP FR - Rapport final 29

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31 BRGM/RP FR - Rapport final 31

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35 II - Analyses amont aval émergence en date du 26/07/2010 (4 pages) BRGM/RP FR - Rapport final 35

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41 Annexe 3 Relevés météorologiques dans les stations Météo-France d Aix-en-Provence, de Mimet, de Trets et de Vauvenargues en 2010 BRGM/RP FR - Rapport final 41

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43 BRGM/RP FR - Rapport final 43

44 BRGM/RP FR, rapport final 44

45 BRGM/RP FR - Rapport final 45

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47 Centre scientifique et technique 3, avenue Claude-Guillemin BP Orléans Cedex 2 France Tél. : Service géologique régional Provence-Alpes-Côte d'azur 117 avenue de Luminy BP Marseille cedex Tél. :