Hydrogeochemical balance sheet of natural and anthropogenic impacts onto Orleans valley karstic network performed with major elements: the "dynamic confinement" model quantification

• Autores: François Le Borgne, Michel Treuil, Jean-Louis Joron, Michel Lepiller
• Localización: Bulletin de la Société Géologique de France, ISSN 0037-9409, Vol. 177, Nº. 1, 2006, págs. 37-50
• Idioma: inglés
• Títulos paralelos:
  • Bilan des impacts hydrogéochimiques naturels et anthropiques à l'intérieur du réseau karstique du Val d'Orléans établi à l'aide des éléments majeurs: Confirmation et tentative de quantification du modèle de "confinement dynamique"
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• Resumen
  • English

    The Orleans valley aquifer comprises both the alluvia of the Loire river and its underlying calcareous stratum. This aquifer is fed by river recharge, thanks to a substantial karstic network in its calcareous part. The main outlets of the aquifer are the Loiret springs, including the famous "le Bouillon" spring. As a result, entries and exits of Orleans valley watertable make a natural observatory, allowing study of the transit of the chemical species inside the aquifer. Since 1997, this natural observatory has been improved with the installation of 52 piezometers (37 in the alluvial aquifer and 15 in the carbonate aquifer) within an alluvial quarry located in the middle of Orleans valley. Tracer experiments, carried out in this extended observatory, have shown that the porous calcareous and alluvial part of the aquifer constitute a "dynamically confined system". As a result, the hydrochemical input of the porous domain of the aquifer to the karstic flow must be negligible. The aim of this study is to confirm this theory with the use of major elements as large-scale temporal and spatial tracers of these exchanges.

    At "le Bouillon" karstic spring, the Na+, K+, Mg2+, Cl- and SO42- concentrations are closely correlated to those of the Loire river if a 3-4 day time lag is considered. This indicates a quasi-conservative transit of these elements in the karst. Conversely, calcite dissolution accompanying the organic matter biodegradation induces significant enrichments in Ca2+, HCO3- and NO3- (mean annual concentrations of which are, respectively, 27.0, 87.8 and 4.9 mg.L-1 in the Loire river and 37.3, 127 et 7.3 mg.L-1 at "le Bouillon" spring).

    After fertiliser spreading, the alluvial waters are highly enriched in NO3-, Cl-, SO42- (respectively 67.2, 24.0, 57.5 mg.L-1) compared to the Loire river (respectively 5.5, 12.7, 17.5 mg.L-1). The anthropogenic input is insignificant for Na+, of which the average concentration in the alluvial watershed (11.7 mg.L-1) remains close to the Loire river (12.9 mg.L-1). The alluvial watershed is depleted in K+ (1.3 mg.L-1) with respect to the Loire river (3.7 mg.L-1) and correlatively enriched in Mg2+ (17.0 mg.L-1 against 5.0 mg.L-1). High major element concentrations are measured in several calcareous piezometers confirming that vertical flows occur between the alluvial and calcareous parts of the aquifer. Furthermore, enrichment heterogeneity in those two strata is induced by a dynamic redistribution, with no significant leaching of anthropogenic inputs which were previously homogeneously spread. This redistribution is pulsed by ascents of the Loire river, impacts of which on the watershed are clearly identified on Mg/K-Na/K diagrams showing a main K <=> Mg exchange between Loire water and clays minerals.

    Taking into account average K and Mg concentrations in the different parts of Orleans valley's watershed, the volume of porous aquifer water brought to the karstic network flow mean estimated is 2.4 % of the total volume which transits between the Loire and the "le Bouillon" spring, showing the dynamic confining action of the aquifer porous domain. Taking into account more precisely seasonal river Loire and spring composition variation, these inputs can be more precisely established : 1.6% during winter and 1.2% during summer at "Le Bouillon" spring; 2.4% during winter and 3.9% during summer at "La Pie" spring. But such a weak global contribution of the porous domain accounts for 10% nitrate composition of the karstic springs. Seasonal spring nitrate composition balance is clearly explained by 60% river Loire, 30 % organic matter oxydation -- carbonate dissolution and 10% porous domain inputs during winter, and 30% river Loire, 60% organic matter, -- carbonate dissolution and 10% porous domain inputs. Same calcium mass balance calculations point out the necessity of CO2 winter complementary input by local rain fall penetrations.

  • français

    La nappe phréatique du Val d'Orléans composée des alluvions de la Loire et du calcaire de Pithiviers sous-jacent est alimentée principalement par les pertes de la Loire via un réseau de chenaux karstiques très développé dont les exutoires principaux constituent les sources du Loiret comprenant la source du Bouillon. Ces entrées et sorties sont les éléments essentiels d'un véritable observatoire naturel permettant l'étude du transit des espèces chimiques à l'intérieur de la nappe. Cet observatoire a été complété depuis 1997 par la mise en place d'un réseau comportant 37 piézomètres al-luvionnaires et 15 piézomètres calcaires sur le domaine d'exploitation d'une carrière implantée dans les alluvions de la Loire au centre du Val, dans la commune de Sandillon. Les expériences de traçage réalisées à partir de ce dispositif ont montré que le réservoir à porosité interstitielle de la nappe phréatique possédait une grande capacité de "confinement dynamique" rendant en première approximation négligeables les apports d'eau de ce réservoir aux circulations karstiques. Le travail présenté vise à confirmer ce modèle en utilisant les éléments majeurs comme traceurs de ces échanges à grande échelle de temps et d'espace. A la source du Bouillon, les concentrations en Na+, K+, Mg2+, Cl- et SO42- sont globalement corrélées à celles de la Loire 3-4 jours plus tôt, montrant que le transit de ces éléments dans le karst est quasi conservatif. Des enrichissements importants sont observés en Ca2+, HCO3- et NO3- (teneurs moyennes annuelles respectives égales à 27,0 ; 87,8 et 4,9 mg.L-1 en Loire contre 37,3 ; 127 et 7,3 mg.L-1 à la source du Bouillon). Ils résultent principalement de la dissolution du calcaire accompagnant la dégradation microbienne de la matière organique. Les apports anthropiques liés aux cultures expliquent largement les enrichissements en NO3-, Cl- et SO42- de la nappe alluviale dont les teneurs sont respectivement 67,2 ; 24,0 ; 57,5 mg.L-1 contre 5,5 ; 12,7 ; 17,5 mg.L-1. Alors que la teneur moyenne en Na+dans la nappe (11,7 mg.L-1) reste voisine de celle de la Loire (12,9 mg.L-1), celle du potassium est net-tement inférieure à celle de la Loire (1,3 mg.L-1 contre 3,7 mg.L-1) et corrélativement celle de Mg2+ est nettement supérieure (17,0 mg.L-1contre 5,0 mg.L-1). Les fortes teneurs en éléments majeurs, observées dans certains piézomètres de la nappe des calcaires confirment l'existence d'échanges verticaux entre les parties alluvionnaire et calcaire de la nappe. De plus, l'hétérogénéité des enrichissements dans ces deux formations souligne l'existence d'une redistribution dynamique locale, mais sans lessivage significatif des apports anthropiques initialement répandus de manière homogène à cette échelle. Cette redistribution est pulsée par les remontées de la Loire dont les impacts sur la nappe sont clairement identifiés à l'aide d'un diagramme Mg/K-Na/K traduisant une fixation du potassium apporté par les eaux de Loire et une libération du magnésium des matériaux alluvionnaires. A l'aide des teneurs moyennes en K et Mg mesurées dans les différentes parties de l'aquifère en été et en hiver, on évalue la contribution volumique du domaine interstitiel de la nappe alluviale aux écoulements karstiques : 1,6 % en hiver et 1,2 % en été à la source du Bouillon ; 2,4 % en hiver et 3,9 % en été à la source de la Pie. Ce domaine interstitiel constitue donc un réservoir où s'exerce un "confinement dynamique" efficace contribuant cependant en moyenne pour 10 % des apports en nitrates aux résurgences karstiques. Le bilan géochimique saisonnier établit qu'en hiver les nitrates sont apportés à 60 % par la Loire, à 10 % par l'eau de la nappe et à 30 % par l'oxydation de la matière organique. Ces contributions relatives atteignent respectivement 30 %, 10 % et 60 % en été. Ce même bilan établi pour le calcium fait ressortir la nécessité d'un apport complémentaire de CO2 en hiver par ruissellement et pénétration des eaux des précipitations locales.