La composition chimique de l'eau souterraine renseigne sur la nature des roches traversées, le temps de séjour et l'existence éventuelle d'une pollution ou d'une intrusion saline. Ce dernier chapitre présente les éléments chimiques majeurs, les diagrammes classiques de représentation, et les principaux mécanismes qui altèrent la qualité des eaux souterraines.
1. Les éléments chimiques majeurs
L'eau souterraine acquiert sa composition chimique par dissolution progressive des minéraux des roches qu'elle traverse, un processus qui dépend de la lithologie de l'aquifère et du temps de contact eau-roche. On distingue les cations majeurs — calcium (Ca²⁺), magnésium (Mg²⁺), sodium (Na⁺), potassium (K⁺) — des anions majeurs — bicarbonates (HCO₃⁻), sulfates (SO₄²⁻), chlorures (Cl⁻), plus accessoirement nitrates (NO₃⁻). Une eau ayant traversé des formations carbonatées (calcaires, dolomies) sera typiquement riche en Ca²⁺, Mg²⁺ et HCO₃⁻ ; une eau ayant circulé dans des formations évaporitiques (gypse, halite) s'enrichira en SO₄²⁻ ou en Cl⁻ et Na⁺.
L'ensemble de ces concentrations définit le faciès chimique de l'eau, c'est-à-dire la nature de son ou de ses éléments dominants (par exemple faciès bicarbonaté calcique, ou chloruré sodique). Ce faciès évolue le long du trajet souterrain de l'eau, depuis la zone de recharge jusqu'à l'exutoire, en fonction de la lithologie rencontrée et du temps de séjour : son étude constitue un outil précieux pour reconstituer les circulations souterraines.
2. Paramètres physico-chimiques usuels
La conductivité électrique, mesurée sur le terrain, est directement liée à la concentration totale en ions dissous : elle sert d'indicateur rapide de la minéralisation globale d'une eau. Le résidu sec, obtenu par évaporation d'un volume d'eau connu, mesure la masse totale des sels dissous. Le pH reflète l'acidité ou la basicité de l'eau, généralement proche de la neutralité pour des eaux carbonatées. La dureté (ou titre hydrotimétrique, TH) mesure la teneur en ions calcium et magnésium, responsables de l'entartrage : une eau est dite dure lorsque ces teneurs sont élevées, typiquement à l'aval de terrains calcaires.
Les résultats d'analyses sont fréquemment représentés sur des diagrammes normalisés : le diagramme de Piper, constitué de deux triangles (cations, anions) et d'un losange central, permet de classer une eau selon son faciès chimique dominant et de comparer plusieurs échantillons d'un même système aquifère ; le diagramme de Stiff, sous forme de polygone, offre une représentation visuelle rapide et compacte, utile pour cartographier l'évolution spatiale du faciès chimique le long d'un écoulement.
3. Pollution et intrusion saline
Les eaux souterraines sont exposées à diverses sources de pollution : les nitrates, issus des engrais agricoles et des effluents d'élevage, s'infiltrent facilement dans les nappes libres peu protégées et constituent l'une des pollutions diffuses les plus répandues ; les rejets industriels et urbains peuvent introduire des métaux lourds, des hydrocarbures ou des composés organiques ; les décharges non contrôlées génèrent des lixiviats susceptibles de contaminer une nappe sous-jacente. La vulnérabilité d'une nappe à ces pollutions dépend directement de sa protection naturelle : une nappe libre, en contact avec la surface via une zone non saturée mince ou perméable, est beaucoup plus exposée qu'une nappe captive protégée par un toit imperméable.
Dans les aquifères côtiers, le phénomène d'intrusion saline se produit lorsque l'eau de mer, plus dense que l'eau douce, s'infiltre dans l'aquifère et progresse vers l'intérieur des terres, en particulier lorsque le niveau piézométrique de la nappe s'abaisse par surexploitation. L'interface entre eau douce, moins dense, et eau salée, plus dense, se stabilise en profondeur selon un principe d'équilibre de densité connu sous le nom de relation de Ghyben-Herzberg : plus le niveau piézométrique d'eau douce s'abaisse au-dessus du niveau marin, plus l'interface salée remonte en profondeur, et une baisse même modeste du niveau piézométrique peut provoquer une remontée bien plus importante de l'eau salée. La gestion des aquifères côtiers marocains, très sollicités pour l'irrigation et l'alimentation en eau potable du littoral, doit tenir compte de ce risque.
Caractérisation d'une eau souterraine par la nature de son ou de ses éléments chimiques dominants (par exemple bicarbonaté calcique), reflet de la lithologie traversée et du temps de séjour.
Progression de l'eau de mer, plus dense, dans un aquifère côtier d'eau douce, favorisée par la baisse du niveau piézométrique liée à la surexploitation de la nappe.
| Lithologie de l'aquifère | Éléments dominants | Faciès typique |
|---|---|---|
| Calcaires, dolomies | Ca²⁺, Mg²⁺, HCO₃⁻ | Bicarbonaté calcique ou calco-magnésien |
| Formations gypseuses | Ca²⁺, SO₄²⁻ | Sulfaté calcique |
| Formations salifères, contexte côtier | Na⁺, Cl⁻ | Chloruré sodique |
Origine du faciès chimique selon la lithologie traversée
- Faciès chimique = éléments dominants d'une eau, hérité de la lithologie traversée (carbonatée → Ca-HCO₃, évaporitique → SO₄ ou Cl-Na).
- Conductivité électrique ∝ minéralisation totale ; dureté (TH) = teneur en Ca²⁺ et Mg²⁺.
- Diagramme de Piper : classification du faciès ; diagramme de Stiff : représentation visuelle rapide et cartographiable.
- Nitrates agricoles = pollution diffuse majeure des nappes libres peu protégées.
- Intrusion saline (relation de Ghyben-Herzberg) : la surexploitation côtière abaisse le niveau piézométrique et fait remonter l'interface salée.
Question classique : associer un faciès chimique donné à la lithologie de l'aquifère correspondant, ou lire un diagramme de Piper simplifié. Sais aussi expliquer le principe de la relation de Ghyben-Herzberg et pourquoi la surexploitation côtière est particulièrement risquée. Piège fréquent : confondre conductivité électrique (minéralisation totale) et dureté (seulement Ca²⁺ et Mg²⁺), qui ne mesurent pas la même chose.