Toute nappe souterraine est logée dans une formation géologique dont les propriétés physiques déterminent sa capacité à stocker et à transmettre l'eau. Ce chapitre définit les grandes catégories de formations aquifères, les paramètres de porosité et de perméabilité, et distingue nappe libre, nappe captive et nappe semi-captive — les notions les plus fréquemment testées du module.
1. Aquifère, aquitard, aquiclude
Un aquifère est un corps de roches perméables comportant une zone saturée suffisamment conductrice pour permettre à la fois l'écoulement significatif d'une nappe et le captage de quantités d'eau appréciables (calcaires fissurés, sables, grès, alluvions). Un aquitard est une formation peu perméable ou semi-perméable (argiles sableuses, limons) où l'eau circule très lentement ; il peut assurer une communication verticale entre deux aquifères superposés, phénomène appelé drainance. Un aquiclude est une formation pratiquement imperméable, incapable de transmettre de l'eau de façon significative (argiles compactes, marnes), tandis qu'un aquifuge désigne une roche à la fois imperméable et dépourvue de porosité (roches magmatiques ou métamorphiques saines).
La nappe est l'ensemble des eaux comprises dans la zone saturée d'un aquifère, dont toutes les parties sont en liaison hydraulique. On distingue la zone saturée, où tous les vides sont remplis d'eau, de la zone non saturée (ou zone vadose), sus-jacente, où les vides contiennent à la fois de l'eau et de l'air ; la limite entre les deux correspond au niveau piézométrique de la nappe libre.
2. Porosité et perméabilité
La porosité totale d'une roche est le rapport du volume des vides au volume total de la roche ; elle dépend de l'arrangement des grains, de leur tri granulométrique et de la présence de fissures. On distingue la porosité efficace (ou utile), fraction des vides interconnectés qui restitue effectivement l'eau par gravité, de la porosité totale, qui inclut aussi l'eau retenue par capillarité et adsorption autour des grains — non mobilisable par pompage. Un sable propre a une porosité efficace proche de sa porosité totale, tandis qu'une argile, très poreuse mais aux pores très fins, retient presque toute son eau et restitue très peu par gravité.
La perméabilité caractérise l'aptitude d'un milieu à se laisser traverser par l'eau sous l'effet d'un gradient de charge hydraulique ; elle dépend à la fois des propriétés du milieu poreux (taille et connexion des pores) et, dans une moindre mesure, des propriétés du fluide. On distingue les milieux poreux (sables, grès), où l'écoulement se fait de manière diffuse à travers l'ensemble de la roche, des milieux fissurés (calcaires, granites fracturés), où l'écoulement se concentre dans les discontinuités, et des milieux karstiques, où la dissolution de la roche calcaire crée des conduits pouvant atteindre des dimensions métriques et un écoulement rapide, parfois turbulent.
3. Nappe libre, nappe captive, nappe semi-captive
Une nappe libre (ou phréatique) est surmontée uniquement par la zone non saturée : sa surface, le niveau piézométrique, est à la pression atmosphérique et peut varier librement en réponse à la recharge. Une nappe captive est confinée entre deux formations imperméables (un mur et un toit) : l'eau y est sous pression, supérieure à la pression atmosphérique, et un forage qui l'atteint voit le niveau d'eau remonter au-dessus du toit de l'aquifère — parfois jusqu'à la surface, donnant un forage artésien jaillissant. Une nappe semi-captive est surmontée d'un aquitard plutôt que d'un aquiclude parfait, ce qui autorise des échanges verticaux lents par drainance avec une nappe voisine.
Le coefficient d'emmagasinement mesure le volume d'eau libéré (ou stocké) par unité de surface de l'aquifère pour une baisse (ou hausse) unitaire de la charge hydraulique. Dans une nappe libre, il est proche de la porosité efficace, car l'eau libérée provient réellement du dénoyage des pores. Dans une nappe captive, il est beaucoup plus faible, car l'eau libérée provient uniquement de la faible compressibilité de l'eau et de la matrice rocheuse, sans dénoyage — d'où une sensibilité bien plus grande de la charge aux prélèvements en captif qu'en libre.
Fraction du volume des vides d'une roche interconnectée et capable de restituer son eau par gravité, à l'exclusion de l'eau retenue par capillarité.
Nappe confinée entre deux formations imperméables, où l'eau est sous pression supérieure à la pression atmosphérique ; un forage y fait remonter le niveau d'eau au-dessus du toit de l'aquifère.
| Critère | Nappe libre | Nappe captive |
|---|---|---|
| Surface supérieure | Zone non saturée, pression atmosphérique | Toit imperméable, eau sous pression |
| Réponse à la recharge | Variation directe du niveau piézométrique | Variation de charge sans dénoyage |
| Coefficient d'emmagasinement | Proche de la porosité efficace | Très faible (compressibilité seule) |
| Forage | Niveau stable au toit de la nappe | Remontée du niveau, parfois artésianisme |
Nappe libre vs nappe captive
- Aquifère (perméable, productif) > aquitard (semi-perméable, drainance) > aquiclude (imperméable) > aquifuge (imperméable et non poreux).
- Porosité efficace ≠ porosité totale : seule l'eau interconnectée non retenue par capillarité est mobilisable.
- Milieu poreux (écoulement diffus) vs milieu fissuré vs milieu karstique (conduits, écoulement rapide).
- Nappe libre : niveau piézométrique = limite zone saturée / non saturée, coefficient d'emmagasinement ≈ porosité efficace.
- Nappe captive : eau sous pression, forage artésien possible, coefficient d'emmagasinement très faible.
Sujet très fréquent : tableau à compléter aquifère / aquitard / aquiclude / aquifuge, avec un exemple lithologique pour chaque catégorie. Sais aussi expliquer pourquoi le coefficient d'emmagasinement diffère fortement entre nappe libre et nappe captive — question de compréhension, pas seulement de définition. Piège classique : confondre porosité totale et porosité efficace, notamment pour les argiles qui sont poreuses mais peu perméables.