D6 Traceurs et isotopes hydrologiques

Topique

Les traceurs hydrologiques et les isotopes permettent de déterminer l'origine de l'eau observée dans une rivière ou une nappe phréatique, de séparer les différentes composantes d'un hydrogramme de crue et de mesurer le temps de séjour de cette eau sous terre avant sa réapparition.

Les isotopes stables de l'eau — la proportion d'oxygène lourd et la proportion d'hydrogène lourd (deutérium) qu'elle contient — varient systématiquement en fonction de la température de condensation et du trajet de la masse d'air qui l'a transportée. C'est précisément cette variation systématique qui confère à l'eau de pluie, à la fonte des neiges et aux eaux souterraines leur signature isotopique distincte.

Lorsque deux sources d'eau aux signatures isotopiques différentes se mélangent, la composition isotopique résultante se situe entre les deux, suivant une équation de mélange pour deux ou trois sources, selon le cas. C'est précisément cette position intermédiaire qui permet d'estimer la proportion de l'eau mélangée provenant de chacune des sources initiales, et ainsi de séparer les différentes composantes de l'hydrogramme mentionné précédemment. Le temps de séjour moyen des eaux souterraines est estimé à l'aide de traceurs radioactifs : le tritium, une forme radioactive de l'hydrogène dont la demi-vie est d'environ douze ans et quatre mois, permet de dater les eaux rechargées entre 1950 et aujourd'hui, car les eaux rechargées avant cette date ont déjà perdu, par désintégration radioactive, la quasi-totalité de leur tritium initial.

Des traceurs artificiels, tels que les chlorures, les colorants ou l'hexafluorure de soufre, permettent de mesurer directement la vitesse d'écoulement et la dispersivité au sein d'un aquifère. Pour ce faire, le traceur est injecté en un point, puis on mesure le temps nécessaire à son apparition et sa concentration en un autre point en aval.

L'isotope cosmogénique béryllium, de nombre de masse dix, qui s'accumule lentement à la surface du sol, reflète également le taux d'érosion de ce même sol : plus l'érosion est importante, plus la concentration de cet isotope qui parvient à s'accumuler dans le sol exposé est faible, car l'érosion elle-même, comme décrit dans un autre document de cette série, emporte le sol avant que l'isotope n'ait eu le temps de s'accumuler. Ainsi, de l'origine de l'eau mentionnée en introduction au taux d'érosion mentionné en conclusion, en passant par la signature isotopique de chaque source d'eau, les équations de mélange et la datation au tritium, les traceurs hydrologiques et les isotopes révèlent que des processus se déroulant entièrement sous terre laissent néanmoins une signature chimique mesurable en surface.

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