P. CHAUVE Professeur à l'Université de Franche-Comté Président
J. MANIA Professeur à l'Université de Franche-Comté Rapporteur

J. P. RAMPNOUX Professeur à l' Université de Savoie Rapporteur

G.DE MARSILY Professeur à l'U. P. et M. Curie-Paris VI Examinateur

A. PARRIAUX Docteur ès Sciences, EPF de Lausanne Examinateur
M. DRAY Maître de Conférences, Université d'Avignon Invité
M.O. GUTH Directeur du Parc National de la Vanoise Chambéry Invitée

G. NICOUD Maitre de Conférences, Université de Savoie Invité

Résumé

L'hydrogéologie des massifs montagneux, à des altitudes supérieures à 1500m, est étroitement dépendante d'un contexte spécifique qui se caractérise par:

• des contrastes topographiques importants, responsables de forts gradients qui favorisent le ruissellement et du morcellement des bassins versants topographiques.
  
• des hétérogénéités lithologiques et des discontinuités géologiques majeures. La tectonique alpine vigoureuse a induit une fracturation intense, à diverses échelles, qui favorise la constitution de réservoirs en milieu de roches compactes. Malheureusement, cette tectonique a engendré des géométries très complexes qui vont largement limiter l'extension des aquifères. En Vanoise, les formations rencontrées sont très variées, mais peuvent cependant être regroupées en deux grandes catégories suivant leurs propriétés hydrologiques:
  • Les formations aquicludes (paraschistes et gneiss),
  • Les formations aquifères qui comprennent:
    • les formations carbonatées (métadolomies et marbres essentiellement), à permÉabilité de fracture dont l'extension laté rale et verticale est faible. Des formations quartzitiques, plus limitées, appartiennent aussi à cet ensemble;
    • les formations alluvionnaires ou glaciaires, de comblement des ombilics de fond de vallée, à perméabilité d'interstice et à extension très limitée;
    • les formations évaporitiques, qui jalonnent les contacts intra et inter unités.
      Leur extension latérale est considérable, sans rapport avec les affleurements, et leur
      perméabilité liée à la dissolution des gypses.
      
• des variabilités climatiques spatiales et temporelles . Le manque de stations de mesures dans les hauts domaines d'altitude n'a pas permis de définir un gradient altimétrique des précipitations. Seule une série de gradients altimétriques des températures a pu être établie. L'établissement de bilans hydrologiques est impossible pour l'instant. Toutefois, il apparait que le facteur "température" est primordial car il règle la recharge des aquifères d'altitude. Il conditionne la fonction retard à l'infiltration avec l'engel des sols et le stockage solide des précipitations.

Le fonctionnement des trois grands types d'aquifères définis a été étudié au travers de quatorze points d'eau représentatifs et répartis sur l'ensemble du Parc National de la Vanoise et sa périphérie immédiate. Les altitudes d'émergence varient entre 1300 et 2600m, alors que leurs bassins versants topographiques culminent parfois à plus de 3000m.

Ces points d'eaux ont été suivis mensuellement au niveau physique, chimique et isotopique pendant 18 mois, d'octobre 1988 à avril 1990. Les deux hivers pris en compte correspondent à deux étiages montagnards peu sévères. L'analyse de ces paramêtres confirme que chaque aquifère caractérisé au niveau géologique est marqué par un fonctionnement hydrodynamique qui lui est propre.
Ainsi:

• les milieux alluvionnaires présentent des temps de transit courts, compte tenu de la faible extension de ces formations. Des "effets de chasse" sont consécutifs aux moindres recharges provoquées par tout réchauffement. L'alimentation est diffuse, se faisant essentiellement par ruissellement le long des versants et par infiltration du cours d'eau principal. Les bassins versants souterrains et superficiels sont bien corrélés;
• les milieux fissurés, présentent eux, des temps de séjour plus longs, en rapport avec l'extension des massifs fissurés et d'éventuels axes de drainages privilégiés. Ces aquifères sont sensibles à des évolutions climatiques saisonnières. Leur alimentation plus ponctuelle se fait au niveau de zones d'infiltration préférentielles, fracturées. Les bassins versants souterrains s'éloignent des bassins versants topographiques;
• les amas évaporitiques des contacts anormaux présentent une remarquable stabilité des réponses physico-chimiques et isotopiques 18O), résultant du drainage à débit constant, par les gypses, des réserves importantes en fait contenues dans les milieux fissurés sus-jacents. Les temps de séjours apparaissent d'autant plus grands (jusqu'à une année au moins) que l'altitude d'émergence du contact drainant est basse. Un âge ancien des eaux traduirait un massif drainé épais.

MOTS CLES: Hydrogéologie - Haute montagne - Vanoise - Alluvions - Evaporites - Calcaires - Chimie - Isotopie.

Abstract

Hydrology in mountainous areas in altitudes highest than 1500m depends directly on a specific context defined by:

• important topographic contrasts, responsable for high gradients that help running off and division of topographic catchment areas;
• lithological heterogeneities and major geological discontinuities. Intensive alpine tectonic has induced an important fracturation at different scales that helps the constitution of storages in compact rocks. Unfortunetly, this tectonic has led to quite complicated geometries that largely limit the aquifers extension. In Vanoise, in spite of their differences, founded formations, according to their hydrological properties can be classified in two important categories:
  • aquiclude formations (paraschists and gneiss);
  • aquifer formations that include:
    • carbonated rocks (mainly metadolomits and marbles) that present a permeability of fracture, with a week lateral and vertical extension. Quartzitic formations, more rare, also belong to this group;
    • alluvional or glacial formations, from overflowing of umbilics from bottom of valley, with an interstitial permeability and a very reduced extension;
    • evaporitic formations that mark out inter and intra contacts between the units. Their lateral extension is lather considerable, without any relation with outcrops, and their permeability is linked to gypsum's dissolution.
• Climatic spatial and temporal variations. The absence of measurement stations in high altitudes has'nt allowed the definition of precipitations altimetric gradient. Just a serie of temperatures altimetric gradients has been etablished. Drawing up hydrological balances is impossible at the moment. However, it seems that the element "temperature" is primordial because it controls the recharge of altitude aquifers. It also conditions the delay process to infiltration with the frosting of soils and the solid storage of precipitations.

The working of these three important types of aquifers has been studied through fourteen representative water commings, distributed on the whole Parc National de la Vanoise and its immediate periphery. The emergence altitudes vary between 1300 and 2600m, while their topographic catchment areas sometimes culminate at more than3000m. These water points have been observed every months in terms of physical,chemical and isotopical characteristics, during 18 months, from October 1988 to april 1990. Both winters considered correspond to slight mountainous lowest flow level periods. The analysis of this parameters confirm that each geologically characterised aquifer is marked by its own hydrodynamical working.

So:

• the alluvial environment presents short transit times, according to their weak extension. The "piston flows" are consecutives to minimal overcharges due to any heating. Their feeding is diffuse, basically by running off all along versants, and by main stream infiltration. Underground and superficial catchment areas are well linked;
• the fissure environment presents a larger lifetime, in relation to the extension of fissured areas and eventual privileged and drainage axis. These aquifers are sensible to seasonal climatic evolutions. These most punctual feeding is at the level of fractured preferential infiltration zones. Underground catchment areas get far away from topographic ones;
• evaporitic anormal contacts present a remarkable physico-chemical and isotopical (18O) stability, resulting from constant flow drainage, by the evporitic rocks, of important reserves contained in fissured environments. Lifetimes appear each time (at last once a year) bigger while emergence altitude of the draining contact is lower. An old age of water will suppose thick drained areas.
  

KEY WORDS: Hydrogeology - High mountain - Vanoise - Alluvial deposits - Evaporitic formations - Limestone- Chemistry - Radio isotopy.

Conclusion générale :
Présentation topographique, climatologique et géologique du secteur d'étude

Situé dans le massif de la Vanoise, c'est un pays de montagne fortement contrasté:

• au niveau topographique: les basses vallées (Moutiers, 480m, Modane, 1000m) jouxtent les plus hauts sommets (Grande Casse, 3852m). Cela induit des gradients altimétriques élevés favorisant le ruissellement.
• au niveau climatologique: la période d'étude (1988/1990), "chaude et sèche", est caractérisée par un déficit hydrique très important (de l'ordre de 30%) par rapport aux moyennes. Les deux hivers pris en compte sont particulièrement doux, ce qui peut avoir des influences au niveau isotopique (18O). Le contexte climatologique du massif de la Vanoise est complexe dans le détail. L'extrapolation des données de Météo France à l'ensemble de nos bassins versants ne donne pas des résultats d'une précision absolue, en raison du manque de mesures dans les hauts domaines d'altitude. Ils sont toutefois suffisant pour l'étude en cours qui ne fait pas appel à des calculs de bilan. L'établissement d'un bilan hydrique global est impossible pour l'instant, d'autant qu'à des valeurs déjà extrapolées, s'ajoutent des facteurs difficilement quantifiables en montagne tels que l'aérologie ou l'exposition des versants, voire le débit. Les contrastes géographiques (altitude, encastrement des vallées, exposition, aérologie) sont tels que les précipitations, ou l'épaisseur du manteau neigeux, doivent être considérés comme ca-ractéristiques d'un endroit donné à un instant donné et ne peuvent être corrélés avec l'altitude. Pour les températures, une série de gradients altimétriques a pu être établie . Elle est utilisée pour caractériser les températures de l'air régnant sur chaque bassin versant topographique durant la période d'étude. Celles-ci, négatives pratiquement toute l'année aux altitudes considérées, sont responsables d'un engel extrêmement profond des sols, dont seule la partie superficielle pourra dégeler en été.
  • En période froide, on note le blocage général de l'infiltration sur l'ensemble des aires d'alimentation, à condition que l'engel du sol se soit produit avant la formation de la couverture nivale. Toutefois, le manteau neigeux évolue, en fonction de paramêtres tels que l'ensoleillement ou le flux géothermique, et la fusion ni-vale est possible. Il s'en suit alors un ruissellement à l'interface sol-neige qui pourra recharger partiellement des aquifères.
  • Lors de la fonte généralisée de printemps, une bonne partie de l'eau de fonte ruisselle le long des versants, sur les sols encore gelés, pour alimenter les ruisseaux et nappes d'accompagnement. Le reste participe à la recharge des aquifères fissurés, au niveau des zones fracturées dépourvues de sols.
  • En été, la fonte affecte les stocks neigeux situés à des altitudes de plus en plus élevées. Elle est responsable de la recharge estivale des aquifères.
• au niveau géologique: la géologie de Vanoise est très complexe. Ce massif fait partie de la ceinture polytectonisée et polymétamorphique des Alpes nord-occidentales. Il est constitué en fait d'un empilement de nappes qui constituent les unités briançonnaises (zone Houillère et zone Vanoise-Mont Pourri-Ambin), piémontaises s.s. (massif du Grand Paradis) et liguro-piémontaises (Schistes lustrés). La tectonique a été vigoureuse. Elle est responsable de la superposition des nappes et de leur plissement interne. Elle a induit une géométrie des formations extrèmement compliquée, qui, liée à une intense fracturation, en limite l'extension. A ces discontinuités, s'ajoute l'hétérogénéité des faciès rencontrés; en effet, ceux-ci sont très variés, mais peuvent cependant être regroupés en quatre grandes catégories:
  • Les paraschistes et les gneiss qui forment l'essentiel des substrata et des couvertures des unités internes,
  • Les métadolomies, les marbres et les quartzites, constituants majoritaires des couvertures de la zone Vanoise-Mont Pourri-Ambin,
  • Les épaisses formations à gypses et cargneules qui marquent les contacts intra et inter unités,
  • Les formations alluvionnaires et glaciaires qui comblent les ombilics de fond de vallée, et les éboulis qui drapent les versants, issus de la tectonique et de l'érosion.

Le comportement hydrologique de ces formations permet de distinguer:

• Les formations aquicludes: sont considérées comme globale-ment (mais pas totalement) imperméables les paraschistes et les gneiss,
• Les formations susceptibles d'être aquifères; sont globale-ment considérées comme telles:
  • les formations carbonatées (métadolomies et marbres essentiellement) et quartzitiques, à perméabilité de fracture. Leur faible puissance limite encore plus l'extension de ce type d'aquifère,
  • les formations alluvionnaires ou glaciaires, à perméabi-lité d'interstice. Elles comblent les ombilics, et ont par conséquent une extension très limitée,
  • les formations évaporitiques, dont la perméabilité est liée à des chenaux de dissolution. Si leur puissance est souvent réduite, leur extension latérale est généralement considérable.

Points d'eaux suivis - Paramètres étudiés

Les points d'eau suivis

C'est par l'intermédiaire de leurs émergences que nous avons tenté de comprendre le fonctionnement hydrodynamique des trois types d'aquiféres de haute-montagne précédemment définis.

Dans ce but, des points d'eau ont été choisis en fonction de leur représentativité géologique et spatiale, de leur pérennité, de leur étagement en altitude, et enfin de leur accessibilité. Quatorze exutoires ont ainsi été retenus pour cette étude, dont l'émergence est comprise entre 1300 et 2550 m d'altitude. Parmi eux, cinq sont issus du milieu fissuré, quatre du milieu alluvionnaire, et cinq du milieu évaporitique. Leurs bassins versants topographiques, qui s'étendent parfois à plus de 2800m d'altitude, sont peu repré-sentatifs des aires d'alimentations réelles comme le prouvent l'étude des débits spécifiques mensuels d'étiage et des traçages réalisés sur quelques un des points d'eau étudiés.

Moyens d'étude

Ces émergences ont été suivies mensuellement pendant 18 mois (octobre 1988 - avril 1990) au niveau physique (débit, tem-pérature, conductivité et pH), chimique (12 éléments majeurs) et isotopique (18O et 3H). Près de 3000 mesures ont été recueillies.

Au niveau physico-chimique, les très nombreuses données ont été analysées par des méthodes traditionnelles (étude des variations mensuelles des teneurs, diagrammes de Piper, indices d'échanges de base) et statistiques (Analyse Factorielle des Correspondances ou AFC). Cette dernière a permis de faire ressortir trois familles d'eaux qui correspondent aux trois types d'aquifères que la géologie avait déterminés. C'est pourquoi nous résumerons les principaux résultats par type d'aquifère. L'étude isotopique, tout en confirmant ces résultats, a apporté des informations nouvelles sur le mode de fonctionnement des aquifères, dont les bassins versants hydrogéologiques culminent souvent à plus de 3000m.

Caractéristiques des milieux étudiés

Le milieu alluvionnaire

Les matériaux, localisés dans des ombilics et issus du démantèlement des massifs, sont essentiellement carbonatés. La faible extension géographique de ce type d'aquifère favo-rise de courts temps de transit. La moindre arrivée d'eau provoque des ~effets de chasse~. Ceci explique la faible minéralisation générale des eaux issues de ces nappes superficielles. Les temps de séjour sont d'autant plus courts que les zones d'alimentation sont généralement diffuses (prépondérance du ruissellement) bien que pouvant être mixtes. Le moindre réchauffement climatique provoque une recharge de ce type d'aquifère. Les bassins versants géographiques et hydrogéologiques sont assez bien corrélés.

Le milieu fissuré

Les matériaux constituant ces milieux sont essentiellement carbonatés (calcaires, marbres, dolomies) et quartzitiques. La tectonique a engendré un compartimentage et une intense fracturation. Les axes de drainages préférentiels ainsi créés, liés à de forts gradients, favorisent des vitesses de transit rapides. Mais la fissuration et l'extension plus importante de ce type d'aquifére expliquent des temps de séjour plus longs.

La plupart des sources de Vanoise présentent un faciès chimique marqué par les sulfates. Les eaux issues du milieu fissuré peuvent résulter ici du fonctionnement parallèle de deux systèmes aquifères différents. L'un à l'aval, carbonaté et fissuré, dont les eaux s'imposent en période estivale. L'autre à l'amont ou injecté, évaporitique, dont les eaux prédominent en hiver à l'exutoire. C'est le résultat de la tectonique alpine, aux nombreux chevauchements, décollements et injections de gypses.

La recharge est maximale en été. Elle débute au printemps, lors de la fonte généralisée, par l'intermédiaire de zones d'infil-tration préférentielles, fracturées et dépourvues de sols. Ces aquifères sont sensibles à des évolutions climatiques prononcées, d'ordre saisonnier. Il est sûr que les bassins versants hydro-géologiques s'éloignent de ceux géographiques .

Les temps de transit sont variables en milieu fissuré. Ils sont fonction de la distance qui sépare l'exutoire de son aire d'alimentation, et de la présence d'axes de drainage privilégiés.

Le milieu de zone de contact anormal

Sa nature évaporitique favorise la création de réseaux de dissolution importants qui constituent des axes de drainage privilégiés. La fonction minéralisatrice de ce milieu est liée à la dissolution des gypses qui fournit d'importantes quantités de sulfates et de strontium. Elle n'est pas obligatoirement le signe d'un long temps de séjour. En fait, l'énorme extension de ce type d'aquifère profond ne semble pas engendrer de fonction capacitive réellement importante. Le séjour des eaux dans l'aquifère évaporitique lui-même est relativement court. La stabilité des réponses s'explique par des réserves importantes, au niveau des massifs fissurés, évacuées par le milieu évaporitique par drainance à débit constant.

Les aquiféres évaporitiques collectent les eaux des couvertures carbonatées qui les surmontent. Les temps de transit dépendent de l'épaisseur du massif drainé. La recharge, continue tout au long de l'année, est liée aux réserves en eau contenues dans le milieu fissural des couvertures carbonatées. Des infiltrations localisées sont possibles par le biais d'accidents tectoniques sub-verticaux de grande ampleur. Ils peuvent aussi récupérer les eaux de ruissellement des couvertures imperméables.

Les bassins versants hydrogéologiques sont immenses car ils englobent des massifs entiers. Ils sont sans commune mesure avec les bassins versants topographiques des sources étudiées et peuvent drainer des sous-bassins de grandes dimensions et de nature différente.

En résumé

Cette étude a permis de définir les différents types d'aquifères rencontrés en Vanoise. Leur fonctionnement est régi par les contrastes morphologiques, climatologiques et géologiques propres au milieu de haute montagne. Le comportement des aquiféres de Vanoise est très différent de ce que l'on observe en plaine. Les forts gradients altimétriques, le retard à l'infiltration, les hétérogénéités et discontinuités géologiques sont autant de facteurs qui conditionnent l'hydrodynamique de ces aquiféres de haute altitude

Ce travail se voulait une première approche quantitative et qualitative du fonctionnement des aquifères de Vanoise et plus généralement de haute montagne. De nombreux voiles ont été levés. Pourtant des inconnues subsistent au niveau hydrogéologique tels que:

• L'impossibilité, à l'heure actuelle, de réaliser un bilan hydrique. Ce ne sont pas tant les moyens financiers, techniques que méthodologiques qui font défaut. La représentativité des mesures climatologiques est à elle seule un vaste terrain d'investigation.
• Le fonctionnement des milieux considérés comme aquicludes à l'échelle du massif de la Vanoise (schistes...), mais qui ne le sont pas forcément au niveau local.
• L'hydrodynamique du milieu cristallin , absent du massif de la Vanoise, ou gneissique qui n'a pas été abordé dans cette étude.