GEO / EAU La Fosse Dionne, Tonnerre, 200 l/s >

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1 La Fosse Dionne, Tonnerre, 200 l/s > 1

2 Les aquifères en France Etat des lieux Christophe RIGOLLET, GEO Jean-François VERNOUX, EAU

3 INTRODUCTION La connaissance géologique et hydrogéologique des AQUIFERES est une mission fondamentale du BRGM. Dans le domaine de l eau, le BRGM a pour principales missions l'acquisition, la conservation, la valorisation et la restitution des connaissances relatives aux eaux souterraines au profit de ses donneurs d'ordres français ou étrangers (Etats, organismes multilatéraux, collectivités, entreprises...). Il a également pour mission de contribuer à la gestion durable et à la préservation des ressources en eau en France et à l'étranger. Dans le domaine de la géologie, le BRGM a en charge l'acquisition, la conservation, la valorisation, et la restitution des connaissances géologiques et géophysiques au profit des Etats, organismes multilatéraux, collectivités et entreprises. > 3

4 INTRODUCTION En chiffres Les réserves souterraines d eau douce en France sont estimées à Milliards de m 3, dont 100 Milliards sont renouvelés annuellement. 15 Milliards de m 3 d eau sont prélevés par an (hors centrales), dont 6 milliards proviennent des ressources souterraines. On distingue 6500 aquifères, dont 200 ont une extension de 100 à km 2. Ils sont inégalement répartis sur le territoire. La moitié des aquifères présentent des problèmes liés principalement aux prélèvements excessifs et aux pollutions d origine anthropique (agricoles et industrielles). Le Système d Information sur l Eau permet d accéder aux informations quantitatives et qualitatives des nappes grâce à piézomètres et qualitomètres. > 42

5 INTRODUCTION Plan de l exposé: Définitions Principaux aquifères Référentiels Usages Prélèvements d eau Géothermie Stockage d hydrocarbures gazeux Production d hydrocarbures Projets futurs (CAES, UTES, CO2 ) Forages abandonnés Conclusions Perspectives Puits artésien > 52

6 DEFINITION Les AQUIFERES sont des formations géologiques poreuses et perméables. Ils ont la capacité de permettre l écoulement de l eau et de l emmagasiner. Les NAPPES correspondent à la partie de l aquifère saturée en eau. La SURFACE PIEZOMETRIQUE correspond au toit de la nappe. Les NAPPES LIBRES communiquent avec la surface, et leur SURFACE PIEZOMETRIQUE fluctue selon les variations climatiques et l intensité des prélèvements. Les NAPPES CAPTIVES sont surmontées d une couche imperméable et sont ARTESIENNES si la surface piézométrique dépasse la surface topographique. Si l aquifère affleure, la nappe peut être rechargée au niveau de la SURFACE DE CAPTAGE. Le renouvellement de l eau est relativement lent. Les MASSES d EAU sont des unités de gestion, définies par application de la Directive Cadre Europénne. Surface piézométrique NAPPE LIBRE AQUIFERE Zone non saturée Zone saturée > 6

7 COUCHE IMPERMEABLE DEFINITION Les AQUIFERES sont des formations géologiques poreuses et perméables. Ils ont la capacité de permettre l écoulement de l eau et de l emmagasiner. Les NAPPES correspondent à la partie de l aquifère saturée en eau. La SURFACE PIEZOMETRIQUE correspond au toit de la nappe. Les NAPPES LIBRES communiquent avec la surface, et leur SURFACE PIEZOMETRIQUE fluctue selon les variations climatiques et l intensité des prélèvements. Les NAPPES CAPTIVES sont surmontées d une couche imperméable et sont ARTESIENNES si la surface piézométrique dépasse la surface topographique. Si l aquifère affleure, la nappe peut être rechargée au niveau de la SURFACE DE CAPTAGE. Le renouvellement de l eau est relativement lent. Les MASSES d EAU sont des unités de gestion, définies par application de la Directive Cadre Europénne. Surface de captage Surface piézométrique NAPPE CAPTIVE COUCHE IMPERMEABLE NAPPE LIBRE NAPPE CAPTIVE ARTESIENNE > 7

8 DEFINITION Les AQUIFERES sont des formations géologiques poreuses et perméables. Ils ont la capacité de permettre l écoulement de l eau et de l emmagasiner. Les NAPPES correspondent à la partie de l aquifère saturée en eau. La SURFACE PIEZOMETRIQUE correspond au toit de la nappe. Les NAPPES LIBRES communiquent avec la surface, et leur SURFACE PIEZOMETRIQUE fluctue selon les variations climatiques et l intensité des prélèvements. Les NAPPES CAPTIVES sont surmontées d une couche imperméable et sont ARTESIENNES si la surface piézométrique dépasse la surface topographique. Si l aquifère affleure, la nappe peut être rechargée au niveau de la SURFACE DE CAPTAGE. Le renouvellement de l eau est relativement lent. Les MASSES d EAU sont des unités de gestion, définies par application de la Directive Cadre Europénne. MASSE D EAU X NIVEAU 1 MASSE D EAU Y NIVEAU 1 Chaque masse d eau est définie par: - sa localisation géographique -ses caractéristiques intrinsèques (sous-sol, sols, connexions avec les cours d eau et les zones humides ) - les pressions subies (occupation du sol, surplus de nitrates, pollutions avérées, captages, recharge artificielle ) - son état des milieux (réseaux de surveillance, état quantitatif et chimique ) - son exposition aux risques (quantitatif et chimique). MASSE D EAU X NIVEAU 2 > 8

9 LES PRINCIPAUX AQUIFERES EN FRANCE LES NAPPES LIBRES (Bassins sédimentaires) LES NAPPES CAPTIVES (Bassins sédimentaires) LES AQUIFERES ALLUVIAUX LES AQUIFERES KARSTIQUES LES AQUIFERES DE SOCLE LES AQUIFERES VOLCANIQUES > 9

10 LES PRINCIPAUX AQUIFERES EN FRANCE Le concept d AQUIFERE DE SOCLE a considérablement évolué depuis dix ans. Sous la partie meuble des profils d altération de type latéritique, on observe un horizon fissuré stratiforme, dont l épaisseur varie de plusieurs dizaines de mètres à plus de 150 m. avec des propriétés réservoir conférant à cet horizon fissuré le caractère d aquifère. Cette observation a conduit à redéfinir le concept d aquifère de socle, qui auparavant était considéré comme strictement limité aux fractures d origine tectonique. Pour une hauteur d eau de l ordre de 2 m, la ressource est estimée à m3 par km². > 10

11 LES PRINCIPAUX AQUIFERES EN FRANCE Les AQUIFERES VOLCANIQUES ont été étudiés principalement dans les DOM, pour la ressource en eau et la géothermie. Les aquifères volcaniques présentent des structures complexes spécifiques aux édifices volcaniques. Ils sont actuellement explorés dans les iles françaises volcaniques car l exploitation des eaux de surface présente des limites quantitatives et qualitatives. Piton des neiges Aquifères volcaniques, Ile de la Réunion > 11

12 LES PRINCIPAUX AQUIFERES EN FRANCE CARTOGRAPHIE DES AQUIFERES A L AFFLEUREMENT > 12

13 LES PRINCIPAUX AQUIFERES EN FRANCE REPRESENTATION 3D DE LA PARTIE CAPTIVE DES PRINCIPAUX AQUIFERES > 13

14 LES REFERENTIELS LES REFERENTIELS Afin d aider à la gestion des ressources en eau souterraine, des référentiels ont été mis en place pour apporter une description physiques des aquifères : le référentiel des masses d eau souterraine et le référentiel hydrogéologique BDRHF V1 et BD Lisa (en cours) LE REFERENTIEL DES MASSES D EAU SOUTERRAINES Les masses d eau souterraine sont destinées à être des unités d évaluation de la directive cadre sur l eau (DCE-2000/60/CE) dont l objectif est de parvenir à un bon état de la ressource d ici masses d eau ont été individualisées en métropole et DOM. LE REFERENTIEL HYDROGEOLOGIQUE FRANCAIS (BD-RHF V1 & BD LISA) Le référentiel hydrogéologique français version 1 décrit les aquifères à l échelle nationale. Il est complété par le référentiel hydrogéologique BD LISA, en cours de réalisation à l échelle nationale, régionale ou locale. ACCES: Pour les masses d eau et BD-RHF V1 : Pour BD LISA : > 14

15 > 15

16 > 16

17 FICHE MASSE D EAU NIVEAU 1 FICHE BD RHF V1 (intégration des données de la carte géologique et des forages BSS) > 17

18 > 18

19 FICHE BD LISA (Fontainebleau) > 19

20 USAGES Prélèvements d eau Géothermie Stockage de gaz Production d HC conventionnels Projets futurs Production d HC non-conventionnels Stockage d énergie (CAES, UTES) Stockage de CO2 > 20

21 PRELEVEMENTS D EAU Sur les 34 milliards de m3 d eau douce prélevés annuellement en France dans le milieu naturel, 6 milliards de m3 (soit 19%) proviennent des eaux souterraines. Usages Eau potable Industrie Agriculture Production d énergie En millions de m En % < 0.5 > 21

22 PRELEVEMENTS D EAU L eau potable 67% du volume total d eau potable provient des nappes souterraines L eau potable souterraine est captée par plus de forages ce nombre élevé de forages complique le suivi et la stratégie de protection La ressource en eau potable souterraine est inégalement répartie sur le territoire; la ressource est faible en dehors des bassins sédimentaires (zones de socle et volcaniques). > 22

23 PRELEVEMENTS D EAU L eau minérale Les eaux minérales naturelles sont utilisées pour la consommation et pour le fonctionnement des thermes > 23

24 PRELEVEMENTS D EAU Agriculture / irrigation L activité agricole représente 18% des prélèvement d eau souterraine. Elle impacte également la qualité des eaux, en particulier avec la pollution aux nitrates et pesticides. Evolution des teneurs en nitrates sur la période source RNDE / BRGM Teneur des eaux souterraines en pesticides source RNDE / BRGM > 24

25 GEOTHERMIE La géothermie a pour objet l étude des phénomènes thermiques souterrains, pour produire de l'électricité et/ou de la chaleur. Quelque soit le processus d exploitation, l eau est le vecteur d énergie. Soit l eau est exploitée directement sous la forme d eau chaude (bassin de Paris) ou de vapeur d eau (Bouillante), soit l eau est injectée pour être chauffée en profondeur (Soultz). Illustration des Géothermies très basse énergie, basse énergie et haute énergie. Ressources géothermiques en France métropolitaine et DOM La géothermie très basse énergie peut entraîner un refroidissement ou un réchauffement de la nappe exploitée. La géothermie basse énergie provoque un refroidissement de la ressource. > 25

26 STOCKAGE D HYDROCARBURES GAZEUX Les stockages souterrains de gaz puis d hydrocarbures liquides ou liquéfiés ont été créés et se développent en France pour ajuster en toutes circonstances l offre à la demande et mieux garantir la sécurité d approvisionnement. Le gaz naturel est emmagasiné dans des stockages en aquifères (13 stockages) et en cavités salines (3 stockages). Le stockage en aquifère représente un volume total de 10 milliards de m3 de méthane. Les hydrocarbures liquides sont stockés en cavités salines (1 site) et les hydrocarbures liquéfiés sont stockés en cavités salines ou en cavités minées (7 sites) Source BEPH > 26

27 STOCKAGE D HYDROCARBURES GAZEUX Stockage de méthane en aquifère Le stockage de méthane en aquifère concerne la ressource en eau au niveau de l aquifère dans lequel est injecté le méthane mais aussi au niveau des aquifères supérieurs, appelés aquifères de contrôle. Les aquifères de stockage sont équipés de puits d observation pour suivre l évolution de la «bulle de gaz» et de l aquifère. Le monitoring des aquifères sus-jacents permet de prévenir toute anomalie (piézomètres et prélèvements). Source GDFSUEZ, «Underground storage facilities», juin 1992 > 27

28 STOCKAGE D HYDROCARBURES Stockage d hydrocarbures en cavité saline Les hydrocarbures à l état gazeux ou à l état liquide peuvent être stockés dans des cavités salines, réalisées par dissolution d une formation évaporitique. La réalisation des cavités par lessivage nécessite un apport important d eau douce. Comme pour le stockage en aquifère, les aquifères sus-jacents à la cavité saline doivent être isolés par des aménagements spécifiques du forage. > 28

29 STOCKAGE D HYDROCARBURES GAZEUX Stockage de propane et butane en cavité minée Les cavités minées sont creusées à une profondeur généralement comprise entre 150 et 200 m, dans lesquelles les hydrocarbures sont confinés par le potentiel hydraulique nettement supérieur à la tension de vapeur du produit dans les conditions de fond. STOCKAGE DE GARGENVILLE dans les Yvelines m3 de Propane Source: site internet de Geostock > 29

30 HYDROCARBURES Production des hydrocarbures conventionnels La production d hydrocarbures conventionnels est étroitement liée aux aquifères: l aquifère dans lequel a migré et a été piégé le pétrole ou le gaz, et les aquifères qu il faut protéger des risques de pollution. Les aquifères peuvent également servir pour la réinjection d eau et de CO2 après séparation des hydrocarbures, au maintien de la pression du gisement et à la récupération assistée. Dans le bassin de Paris, le gisement de St Martin de Bossenay exploite l huile du Dogger. L exploitant SHELL utilisait deux puits d injection (SMB15 et SMB17) pour réinjecter l eau produite et maintenir la pression du réservoir. L exploitation du champ a nécessité également d isoler les forages qui traversent les aquifères des Calcaires du Lusitanien, des Grès et sables de l Albien/Néocomien et de la Craie. Source, BEPH Source, IFP, 2010 > 30

31 HYDROCARBURES Production des hydrocarbures non-conventionnels Les gas-shale et oil-shale ont connu un essor extraordinaire ces dernières années aux États-Unis. En Europe, et plus particulièrement en France, les compagnies pétrolières s'intéressent fortement à ces ressources non conventionnelles. Les deux cibles les plus convoitées sont les oil-shale du Lias du bassin de Paris et les gas-shale du bassin du SE. Pour fracturer et produire les gas-shale et les oil-shale il est nécessaire d injecter d importants volumes d eau. Cela pose les questions de la disponibilité d eau à proximité des gisements et de la possibilité de réinjection de l eau utilisée après dépollution. > 31

32 STOCKAGE D ENERGIE Stockage d air comprimé (CAES) Il est possible de stocker de l'énergie en aquifère ou en cavité minée en comprimant de l air avec un compresseur lors des périodes de faible consommation d énergie. L énergie stockée sous la forme d air comprimé est ensuite restituée lors des périodes de forte ou moyenne demande en énergie pour faire fonctionner une turbine à combustion et fournir de l électricité. Le CAES (Compressed Air Energy Storage) permettrait de stocker l énergie excédentaire et de s affranchir des contraintes des sources intermittentes (éoliennes, photovoltaïques ). Les aquifères seraient impactés en terme de surpression, par contre les risques de pollution sont limités, l air ne présentant pas de caractère nocif. Alabama case, internet site > 32

33 STOCKAGE D ENERGIE Stockage thermique de chaud ou de froid (UTES) Le stockage de chaleur en aquifère (Underground Thermal Energy Storage - UTES) consiste à utiliser les aquifères pour stocker de la chaleur ou du froid. Il est possible de stocker à toute profondeur. A 30 mètres on atteint des puissance de 500kW, pour dépasser la dizaine de mégawatts à 3000 mètres. Comme pour la géothermie, ces installations peuvent provoquer un réchauffement ou un refroidissement. > 33

34 STOCKAGE DU CO2 Parmi les nombreuses possibilités envisagées pour stocker le CO2, le stockage en aquifère présente la plus grosse capacité de stockage. En France, plusieurs études sont dédiées à l étude de faisabilité de stockage en aquifère et à l évaluation des volumes de CO2 qu il serait possible d injecter dans les aquifères salins. Des simulations d injection numériques sont réalisées pour évaluer l impact de la «bulle» de CO2 sur l aquifère de stockage et son évolution au cours du temps. Les couvertures doivent résister à la pression et aux interactions géochimiques roche/co2 pour éviter tout risque de propagation vers les aquifères sus-jacents. Modélisation PETREL des perméabilités de l aquifère du Dogger projet ANR-SHPCO2 Simulation 3D de l injection de CO2 projet ANR-SHPCO2 (TOUGH2-REACT) > 34

35 FORAGES ABANDONNES Lorsqu un forage profond est abandonné, s'il présente une anomalie ou s'il se détériore, il existe un risque de mise en communication verticale des aquifères et un risque de pollution aux hydrocarbures. Cette question a fait l objet d une étude spécifique pour les forages profonds sur le bassin Seine- Normandie qui traversent les aquifères protégés de l Albien et du Néocomien (JF Vernoux, EAU). > 35

36 CONCLUSION 1/2 LES AQUIFERES DU BASSIN DE PARIS > 36 RESERVOIRS CONVENTIONNELS RESERVOIRS NON-CONVENTIONNELS STOCKAGE DE METHANE AQUIFERES DE CONTROLE EAU DOUCE GEOTHERMIE CO2 (PICOREF, SHPC2 ) Aqu. protégé Aqu. protégé

37 CONCLUSIONS 2/2 Les aquifères sont fortement sollicités pour la ressource en eau, la géothermie, le stockage de gaz, la production d hydrocarbures et le seront davantage si de nouvelles activités sont développées comme le stockage d énergie, de CO2 ou la production des réservoirs d hydrocarbures non-conventionnels. Le réchauffement climatique est également un facteur qui risque de contraindre fortement la ressource en eau : augmentation du besoin (irrigation ) et diminution des ressources renouvelables. Cette forte sollicitation pose de nombreuses questions comme l identification de ressources nouvelles, la préservation de la ressource (identification et maîtrise des risques) et les conflits d intérêts. * Lorsque les nappes superficielles sont surexploitées ou polluées (nitrates, insecticides ), la tendance est de solliciter des aquifères plus profonds. La question de la ressource se pose également en terme d'inégalité de répartition géographique * Les risques associés à l exploitation des aquifères sont quantitatifs (baisse de niveau) et qualitatifs (pollution, réchauffement/refroidissement ). Pour les nappes captives il faut également prendre en compte les conséquences des modifications de pression sur les échanges entre aquifères. Les anciennes exploitations et leurs puits abandonnés sont également un facteur de risques. La dégradation des ressources en eau souterraine peut également impacter les eaux de surface et les écosystèmes, particulièrement en période estivale. * La multiplication actuelle et à venir des activités en lien avec les aquifères pose inévitablement le problème des conflits d'usage, accentué lorsque les projets impactent les aquifères à grande échelle. > 37

38 PERSPECTIVES - HYDROGEOLOGIE > Expertise hydrogéologique sur un secteur donné Structure des aquifères Ecoulements souterrains (piézométrie) Relations avec les eaux de surface Paramètres hydrodynamiques et hydrochimiques Cartes de vulnérabilité > Modélisation Modèle hydrodynamique (connaissance) Modèle de gestion de la ressource en eau (impact de pompages) Modèles couplés : transport de polluants, thermique, > 38

39 PERSPECTIVES - GEOLOGIE > Référentiel géologique de la France (RGF) Mise à jour des bases de données géologiques et géophysiques du sous-sol Acquisition de données complémentaires Intégration des données pour la réalisation de synthèses géologiques Production de modèles numériques 3D, incluant la distribution spatiale des propriétés physiques des réservoirs et couverture. Intégration des données de la carte et des données du sous-sol (forages d eau, forages pétroliers et géothermiques, sismique pétrolière, géophysique aéroportée ) GUICHET H / BEPH 6000 forages pétroliers km de sismique CLASTIC2 - GEOTHERMIE Modèle 3D du Keuper du BP > 39

40 POUR PLUS D INFORMATION Banque nationale d Accès aux Données sur les Eaux Souterraines (Masses d Eau et BD-RHFV1) BD-RHFV2 (BD-LISA) en cours BRGM, Service EAU et GEO Editions du BRGM Contacts: c.rigollet@brgm.fr Jf.vernoux@brgm.fr > 40

41 Merci de votre attention Source de la Loue, Jura > 41