Hydrology in Mountainous Regions. I - Hydrological Measurements; the Water Cycle (Proceedings of two Lausanne Symposia, August 1990). IAHS Publ. no. 193,1990. Image synchrone de la composition isotopique de la couverture neigeuse des Alpes de Suisse occidentale M. DRAY Centre de recherches géo-dynamiques, Université Pierre et Marie Curie, Thonon les Bains, et Laboratoire d'hydrogéologie de l'université d'avignon, France A. PARRIAUX & J.D. DUBOIS Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne, Laboratoire de Géologie, 1015 Lausanne, Suisse RESUME: Le milieu montagneux joue souvent le rôle d'un cas très particulier dans les règles scientifiques générales qu'on établit en étudiant les phénomènes hydrologiques sur des territoires à faible relief. Notamment, l'usage de certains paramètres comme indicateurs des zones d'alimentation doit être évalué d'une manière critique dans des chaînes de montagne. L'analyse des eaux du réseau "Stock neigeux" confectionné dans les Alpes de Suisse occidentale dans le double but isotopique et hydrochimique permet de situer les limites des méthodes, sans pouvoir à l'heure actuelle conduire à des conclusions définitives. Il ressort toutefois clairement qu'en ce qui concerne les isotopes stables liés à l'altitude, les gradients obtenus sont éminemment variables, allant même parfois pratiquement à l'inverse des modèles classiques. Les calculs d'altitude des bassins versants doivent donc être considérés comme très délicats. La nécessité d'observations à échelle réduite, avec la prise en compte de plusieurs cycles hydrologiques, s'impose pour les calculs hydrologiques à venir. La présente étude constitue le premier pilier encore bien imparfait de cette approche méthodique. I. INTRODUCTION Parallèlement à l'étude hydrochimique de la neige effectuée en mai 198 8 dans les Alpes de la vallée du Rhône en amont du lac Léman (Parriaux et al., 1990), un échantillonnage particulier pour l'analyse isotopique des éléments stables 18 0 et 2 H et radioactifs 3 H a été réalisé. Les points du réseau sont reportés à la figure 1. La collecte des échantillons a été faite durant la même journée, les déplacements d'un site à l'autre effectués par hélicoptère. Le 18 0, isotope constitutif de la molécule d'eau, montre un fractionnement lié à la température. Aussi va-t-il servir de marqueur des précipitations neigeuses en altitude qui permettra de calculer un gradient altimétrique. Nous utiliserons ce gradient pour déterminer les zones de recharge et par là, l'origine des écoulements de surface, comme des écoulements souterrains, en aval des zones d'accumulation de neige. Le deuterium, autre isotope stable de la molécule d'eau, servira de témoin des phénomènes d'évaporation ou de sublimation. Quant aux concentrations de tritium dans la neige, la comparaison de ses différentes valeurs analytiques avec celles effectuées sur les pluies et/ou les neiges (au minimum mensuelles) doit permettre de 447
M. Dray et al. 448 préciser les périodes de précipitations hivernales à relier aux différentes accumulations neigeuses. o 90 <" («51 10 km -17.97-20.67-19.78-143.22-18 92 ^ (9) -20.37-148.28-18. 52-133.58 ^#-(ë) -20.60-148.14 *(7) 90 LEGENDE: '8o6 '«2 H 8 /.o FIG. 1 Situation des points du réseau "Stock neigeux" et répartition spatiale des valeurs d'oxygène 18 et deuterium. II. LES ISOTOPES STABLES Les données sur échantillons globaux Les figures 1 et 2 donnent la répartition spatiale en 18 0 et 2 H ainsi que la relation deuterium - oxygène 18. La figure 3 matérialise le gradient altitude - oxygène 18. En prenant tous les échantillons moyens de neige, excepté les échantillons 10 et 6, qui se révèlent être des cas particuliers, les valeurs s'échelonnent entre -15 et -21 8%opour des altitudes entre l'600 et 3'700 m. Le gradient trouvé est de 0,35 8 %o par 100 m. Les échantillons de surface portant sur des prélèvements de 3 cm d'épaisseur donnent la même tendance.
449 Image synchrone de la composition isotopique Légende: O Echantillon superficiel Echantillon global 2 No de la station q -looto I -J50- -200^,,, -25-20 -15-10 W 0S '/.. S.M.O.W FIG. 2 Relation entre deuterium et oxygène 18 en regard de la droite de Craig. Cas particuliers: L'échantillon 6 (figure 1) pris sur un sommet secondaire du Grand Combin correspond à une épaisseur de neige de 70 cm alors que presque partout ailleurs elle est supérieure à 170 cm. Cela résulte du fait que cette neige est en partie soufflée et par là n'est pas représentative de la totalité du manteau neigeux annuel. L'échantillon 10 (figure 1) de faible altitude montre cependant une valeur très négative qui est à rapprocher des derniers événements neigeux comme semblent le montrer les profils détaillés de neige de Rosa Blanche (voir ci-dessous). Il correspond à une neige récente et très froide. Quand on compare ces gradients à ceux rapportés dans la littérature (Blavoux, 1978), soit 0,20 à 0,25 8 %o par 100 m, on constate que ces derniers sont relativement plus faibles. Moser & Stichler (1975) ont montré des gradients de 0,50 dans les Alpes. Pour nous assurer de la représentativité des échantillons, nous la contrôlons par la relations 18 0/ 2 H (figure 2). Au vu des résultats en 18 0, nous avons choisi sept échantillons moyens et sept échantillons de surface. La référence étant la droite des eaux météoriques mondiales (Craig et al, 1965), on peut assurer que les prélèvements ne sont pas évaporés, les deux droites étant très voisines, soit pour l'échantillon moyen 2 Hmoyen = 8,53 18 0 + 25,4 (r = 0,99) et 2 Hsurface =7,77 18 0 + 5,37. Etude d'un profil de sondage Sur un profil de neige carotté sur le glacier du Grand Désert de la Rosa Blanche (point 8 figure 1) comportant sept prélèvements entre 0 et 170 cm, on note une grande dispersion en 18 0 (9 5%o) (figure 4). Tout se passe comme si cette neige n'était pas évaporée à quelque profondeur que ce soit, comme le montre la droite deutérium-oxygène
M. Dray et al. 450 18 très proche de la droite de Craig. Ou bien il peut s'agit d'une compensation entre 1'evaporation de la neige pendant le jour et la condensation de l'humidité atmosphérique pendant la nuit. Ce carottage de neige met clairement en évidence le fait que si une série est incomplète soit par evaporation, soit par ablation, l'échantillon moyen perd de sa représentativité et de ce fait rend plus difficiles les comparaisons des manteaux neigeux entre eux à une période donnée. ci 5 o -70-1 -77 12-73-1-74 -17-18 -19-20-] -21-22 -75- -76- -23- -24- -25- -26-. 1000 70 o 14 oj4 13.. 70 ~- <?.:.%.. j I I I I I I I I I Légende: o Echantillon superficiel Echantillon global 2 No de la station 08 2 000 3000 ALTITUDE (m) ^ 5 o5 4000 m 6 FIG.3 Relation oxygène 18 - altitude. Les liaisons entre les points symbolisent les différents profils d'altitude choisis. Interprétation globale des données en isotopes stables L'ensemble des données disponibles permet de séparer deux différents domaines : Les massifs externes en rive droite du Rhône (nord de la chaîne), où l'on trouve un stock neigeux composite avec une neige ancienne plus positive. La zone pennique en rive gauche du Rhône (centre et sud de la chaîne), qui montre une neige plus récente et plus négative. Valeurs des gradients d'altitude Si l'on prend l'ensemble des valeurs on doit considérer plusieurs groupes (figures 1 et 3).
451 Image synchrone de la composition isotopique Légende: Moyenne arithmétique et écart-type des valeurs des 7 échantillons. 18o 2H -y- X 20.37 145.93 S 2.68 20.83 Echantillon global _ 50- '8rj 5 '/.. S.M.0.W -26-24 -22-20 -18-16 M i 1 ^ loo 's 150-200- V % g 1* 1^ 20 m 0 â V.o S.M.O.W FIG. 4 Répartition de l'oxygène 18 et du deuterium des échantillons carottés dans la neige de la Rosa-Blanche (point 8). I -15-10 NNW SSE FIG. 5 Profil schématique à travers la région étudiée et perturbations liées au relief. Les échantillons 1-2 de la zone des Aiguilles Rouges où il n'y a pas de gradient ou même celui-ci est inversé. Sur ces versants en situation exposée au vent du nord (bise), la neige peut remonter depuis les basses altitudes. C'est une zone de turbulences maximum marquées par un mélange de neiges de diverses altitudes et une forte ablation ou parfois une accumulation dans les dépressions protégées. Les échantillons 3-4-5 de la zone du Mont-Blanc, où le gradient altimétrique est normal, mais l'échantillon 5 plus positif subit encore les effets turbulents éoliens ("wind drift") Les échantillons 11-12 et 13-14 en rive droite du Rhône, qui montrent un gradient normal proche de celui de la zone du Mont-
M. Dray et al. 452 Blanc; 0,42 6%opar 100 m. Les échantillons 7-8-9-10, profil en plein Pennique, qui forment un gradient normal mais très faible, de l'ordre de 0,125 6 %o par 100 m. On peut voir là probablement un "shadow effect" (figure 5) lié au "filtrage" des précipitations par les reliefs externes qui eux, montrent un gradient altinnétrique normal. De l'ensemble de ces résultats, on voit qu'à l'exception de la partie septentrionale de la chaîne, il est difficile de préciser un gradient dans cette région des Alpes. III. LES ISOTOPES RADIOACTIFS Les données Pour des questions d'encombrement, il n'a pas été possible de prélever suffisamment de neige pour permettre l'analyse du tritium par enrichissement électrolytique de tous les échantillons. Tous ont en revanche été l'objet d'un comptage direct avec l'imprécision qui en découle. Ces comptages ont été réalisés parallèlement au CRG Thonon et au GEOLEP Lausanne. Afin de diminuer la dispersion et les erreurs systématiques liés au comptage direct, une corrélation a été, établie entre ces derniers et les quatre mesures par enrichissement. Les valeurs brutes de tritium ont été ainsi corrigées. Tous les échantillons contiennent du tritium. On doit considérer trois groupes (fig. 6) : < 17 = 25 = 30-40 échantillons 7, 8, 9 échantillons 1, 2, 5, 6, 10, 11 échantillons 3, 4, 12, 13, 14 La répartition spatiale montre que les échantillons les plus riches en tritium se situent dans la zone la plus proche du Léman (12, 13, 14). Les échantillons les moins radioactifs en sont les plus éloignés (7, 8, 9). On ne constate pas de relation entre altitude et concentration en 3 H, contrairement à ce qui a été noté par certains auteurs (Merlivat et al. 1977). Si l'on veut comparer ces données avec les mesures en tritium des précipitations les plus proches, c'est-à-dire la station de Thonon- CRG pendant l'hiver 1987-1988, on trouve les concentrations suivantes : 1987: septembre octobre novembre décembre 10 25 22 18 1988: janvier février mars 20 17 20 Interprétation On ne peut corréler directement les concentrations en tritium trouvées dans la neige avec celles des précipitations d'un mois bien précis. La gamme des valeurs mesurées dans la neige alpine est sensiblement plus élevée que dans les précipitations de Thonon durant la même période. La zone du Plateau suisse semble être la source de pollution potentielle, avec une contamination maximale en bordure (12, 13, 14)
453 Image synchrone de la composition isotopique FIG.6 Répartition spatiale du tritium. et minimale dans les zones les plus éloignées (7, 8, 9) (fig. 6). Cette observation rejoint l'étude chimique des neiges du même réseau (Parriaux et al. 1990). En effet, une forte corrélation tritium - total des sels dissous (fig. 7) conforte l'idée d'une origine anthropique d'une majeure partie de la minéralisation. 3. CONCLUSION Cette campagne de mesures isotopiques de la neige dans les massifs de la vallée du Haut-Rhône nous a permis de mettre en évidence: la quasi-absence de phénomène d'évaporation ou de sublimation de la neige, la difficulté d'utiliser des gradients isotopiques d'altitude simples, vu la complexité des précipitations liées aux directions principales des vents qui provoquent des mélanges et d'autres effets perturbateurs associés à la succession de chaînes et de vallées, l'extrême variabilité isotopique dans l'épaisseur de la couche de neige d'où la relativité de la représentativité de l'échantillon moyen, enfin, par les concentrations en tritium, une origine de contamination en provenance de la bordure nord de la chaîne des Alpes.
M. Dray et al. 454 50 40 20 30-10-!!!!! j! f (, [, 0.2 0.6 1.0 1.4 1.8 2.2 2.6 TOS (ppm) FIG. 7 Corrélation tritium et minéralisation totale (TDS = total des sels dissous). REMERCIEMENTS: A l'armée suisse qui a permis cet échantillonnage synchrone en mettant à notre disposition un hélicoptère, et au personnel technique du CRG qui a assuré les analyses isotopiques. REFERENCES Blavoux, B. (1978) Etude du cycle de l'eau au moyen de l'oxygène 18 et du Tritium. Thèse de doctorat d'etat, Paris. Craig, G. & Gordon, L.J. (1965) Deuterium and Oxygen 18 variations in the ocean and the marine atmosphere. Proc. Conf. Nuclear Geology, Spoleto. 1965. Merlivat, L., Jouzel, J., Robert, J. & Lorius, C. (1977) Distribution of artificial tritium in firn samples from East Antarctica. IASH Publ. 118. Moser, H. & Sticher, W (1975) Deuterium measurements on snow samples from the Alps. IftEft-SMrl29/4, 43-57. Parriaux, A., Dubois, J.D. S Dray, M. (1990) Chemical composition of snow cover on the west Swiss Alps. Proc. & Rep. IAHS Conf. Lausanne.