protection des aquifères superficiels : état des lieux

Dossier technique
PROTECTION DES AQUIFÈRES SUPERFICIELS : ÉTAT DES LIEUX
(Mise à jour août 2015)
SOMMAIRE
1 / LES AQUIFÈRES SUPERFICIELS EN BREF
2 / NAPPES SUPERFICIELLES ET ACTIVITÉ D’EXPLORATION - PRODUCTION : ÉTATS DES LIEUX
3 / QUELQUES ORDRES DE GRANDEUR
4 / RÉGLEMENTATION EN VIGUEUR
5 / CONCLUSION
6 / RÉFÉRENCES
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1 / LES AQUIFÈRES SUPERFICIELS EN BREF
L'eau est omniprésente dans les couches géologiques, où elle remplit les pores de la roche : elle y est plus ou moins mobile, selon les
caractéristiques de celle-ci.
Les nappes de surface - ou aquifères superficiels -, contenus dans des niveaux géologiques peu profonds, généralement de l’ordre de
100 ou 300 mètres au-dessous du sol, sont une réserve d’eau douce qui s’est constituée par l’infiltration progressive des eaux de
pluie et de ruissellement à travers des roches de surface poreuses et perméables. Filtrées par les sédiments, l'eau de ces aquifères
sert à alimenter villes et villages en eau potable et à l’irrigation. On appelle "nappe phréatique" la première nappe que l’on rencontre
quand l’on fore un puits à partir de la surface.
On trouve même des nappes superficielles dans les zones désertiques, mais l’eau y est souvent à plus grande profondeur. Dans
certains cas, l’eau est plus proche de la surface et permet alors de subvenir aux besoins en eau des oasis : ce sont en général des
zones de sources, où l’eau jaillit en surface.
D’autres nappes, beaucoup plus profondément enfouies (à plusieurs centaines, voire milliers de mètres), ne bénéficient pas des
mêmes échanges directs avec la surface et renferment souvent des eaux chargées en sel, témoins d'une dissolution lente des sels
contenus dans les roches. Ce sont des nappes en écoulement très lent, parfois dites fossiles, car l’âge de leurs eaux peut dépasser le
million d’années. Ces eaux sont impropres à la consommation, mais peuvent être utilisées comme source d’eau chaude pour la
géothermie.
Une ressource cruciale et fragile
Ces ressources en eau souterraine sont souvent utilisées par nombre d’activités humaines de nature très différentes (industrie,
agriculture, eau domestique, eau nécessaire aux écosystèmes). Les besoins en eau peuvent être l’objet de concurrence dans le
partage de la ressource, notamment dans les régions en état de stress hydrique, où le soutirage est supérieur à l’alimentation
naturelle (auquel cas on épuise plus ou moins rapidement les réserves de la nappe).
La réalimentation en eau des aquifères superficiels se fait généralement de façon naturelle par les précipitations, principalement en
hiver. Dans les zones urbaines, les eaux usées ou les eaux de rivières peuvent également être mises à contribution : elles sont
traitées dans des stations de traitement puis envoyées dans des bassins de décantation et d’aération où leur qualité s’améliore ;
jusqu'à être suffisamment dépolluées pour respecter les normes en vigueur. Les nappes superficielles sont par ailleurs exposées à
des risques de pollution, qu'il convient de maîtriser.
Hydrocarbures non conventionnels et nappes superficielles
L'ensemble des opérateurs industriels est très sensibilisé à la protection des aquifères. Des risques de pollutions accidentelles
existent lors de l’exploitation des hydrocarbures non conventionnels, notamment via les déversements accidentels de surface, les
opérations de forage ou de fracturation hydraulique, mais des procédures opérationnelles sont mises en œuvre pour les éviter.
2 / NAPPES SUPERFICIELLES ET ACTIVITÉ D’EXPLORATION PRODUCTION : ÉTATS DES LIEUX
2.1 LES RISQUES DE POLLUTIONS DE SURFACE
Comme pour beaucoup d’activités, le risque d’une contamination des nappes superficielles par un déversement d’eau polluée,
d'origine accidentelle, en surface est toujours possible mais est maîtrisable.
Fluides de forage, additifs et fluides de stimulation, eaux de reflux et hydrocarbures peuvent être à l’origine d’une
pollution. Les eaux de reflux (c’est-à-dire les eaux qui sont restituées par le puits après une opération de fracturation hydraulique
sous pression) comprennent des additifs d’injection ainsi que des eaux de gisement pouvant contenir d'éventuels métaux lourds et
des particules d’argiles (y compris des éléments radioactifs d’origine naturelle). Ces eaux de reflux doivent être réceptionnées en
surface dans des bassins étanches, pour un traitement ultérieur ou une réutilisation partielle.
Si elles n’ont pas été correctement réceptionnées et stockées, ces eaux de reflux contenant différents produits peuvent être
entrainées par le ruissellement des eaux de pluie vers les cours d'eau et s’infiltrer jusqu’aux aquifères superficiels. Des procédures
sont mises en œuvre pour éviter ces risques de pollution qui pourrait toucher d'une part les cours d'eau et d'autre part les aquifères
par percolation. La vigilance dans la fiabilité des matériels et dans la rigueur des processus d’exploitation doit être absolue et
constitue alors une réponse fiable, à l’instar des pratiques existantes dans d’autres activités industrielles.
Par ailleurs, la recherche permanente de solutions plus efficaces et sûres pour préparer les fluides de fracturation hydraulique
permet une amélioration continue de la prévention. On peut citer ici l'utilisation d'additifs chimiques sous forme de poudre en lieu et
place d'émulsions : la forme solide présente en effet plusieurs avantages à commencer par la manipulation et la récupération en cas
de déversement accidentel. C'est le cas par exemple des réducteurs de friction de type polyacrylamides qui, sous forme de poudre,
présentent en outre l'avantage d'être plus concentrés en matière active que les émulsions, limitant ainsi les coûts et risques associés
au transport et à la mise en œuvre.
La solution la plus efficace de réduction des impacts d’éventuels incidents réside dans l’aménagement de zones
étanches sur le site et plus particulièrement autour des équipements à risque : le site est nivelé sur la totalité de son
emprise pour éviter tout ruissellement et une membrane de protection, appelée "liner", est installée sur l'ensemble de la surface ; de
plus, des levées de terre sont constituées sur le périmètre du site, afin d'empêcher la propagation d'un déversement accidentel. Afin
d'avoir un meilleur aperçu des différentes techniques mises en œuvre, le lecteur pourra se reporter au site "Skifergas.dk"[1],
détaillant ces opérations de préparation sur le site de forage du premier puits d'exploration de gaz de schiste au Danemark.
Par ailleurs, l’ensemble des fluides à risque avant emploi est enfermé dans des cuves et containers adéquats et les zones
d’entreposage sont surveillées. Des zones de rétention spécifiques supplémentaires sont installées autour des lieux de stockage des
produits sensibles, afin d'éviter tout risque de propagation d'une fuite accidentelle.
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Un autre facteur de pollution de surface concerne les risques liés aux transports routiers, qui acheminent les produits
jusqu’au site. Si des accidents sont possibles, ils ne sont concernent pas que les hydrocarbures non conventionnels. Les pratiques
opérationnelles existantes en Europe et en France sont bien rodées et encadrées par les procédures mises en place par les
opérateurs d'une part et par une réglementation rigoureuse d'autre part. De fait, les accidents sont très rares et les éventuelles
conséquences sur le plan de l'environnement limitées.
2.2 LES RISQUES LIÉS AUX OPÉRATIONS DE FORAGE
Pour atteindre les gisements situés à 2 000 ou 3 000 mètres de profondeur, les puits de forage traversent les nappes superficielles
situées, elles, beaucoup plus près de la surface. C’est le cas des puits d’hydrocarbures de schistes, tout comme ceux des puits
conventionnels de pétrole et de gaz, ou des puits géothermiques.
Les pratiques de forage existantes et l'expérience acquise depuis plusieurs décennies permettent de connaitre l'emplacement des
aquifères, leur épaisseur, leur profondeur ainsi que leur configuration géologique, dont la pression de l’eau dans les couches. Depuis
plus d’un siècle, des précautions sont prises, en créant des puits dont l’espace intérieur est soigneusement isolé des formations
géologiques qu’ils traversent par des tubages métalliques cimentés (les "casings").
S’il n’est pas réalisé dans les règles de l’art et selon les règlementations en vigueur, un forage peut connaitre un défaut d’étanchéité
de ses tubages et une migration des fluides le long du puits vers les formations géologiques qui l'entourent. C'est là la cause
principale des quelques cas de contamination accidentelle des nappes de surface observés aux États-Unis.
Les mesures prises pour éviter les incidents liés au forage lui-même sont décrites ci-dessous :
• La boue de forage et l’équilibrage des pressions
La pression ambiante régnant dans le sous-sol augmente avec la profondeur. Pour éviter qu’un trou ne se rebouche et ne s’effondre
au fur et à mesure de l’avancée du forage, il faut enlever les débris de roche et nettoyer le fond du puits, mais il faut aussi en
stabiliser l’intérieur, lubrifier et refroidir le trépan, contrôler et contrebalancer la pression des fluides dans les formations géologiques
traversées. Pour cela, on utilise un fluide, appelé "boue de forage", dont le mélange est généralement constitué d’eau et d’une argile
naturelle, la bentonite. L’ajout de la bentonite permet d'ajuster la viscosité de la boue de forage et pour ajuster sa densité, on ajoute
de la baryte ou du chlorure de calcium : on peut ainsi contrebalancer la pression des fluides dans les couches rencontrées lors du
forage. La réussite de l’intervention réside dans le contrôle et l'équilibrage précis des pressions de la colonne de boue d'une part et
des contre-pressions exercées par l’environnement géologique : en surpression, une partie de la boue se déverserait dans la couche
de l’aquifère, en sous-pression, c’est l’eau de l’aquifère qui ferait irruption dans le forage et remonterait en surface. Tout
déséquilibre est à éviter soigneusement : le point d’équilibre est maintenu grâce au savoir-faire sur site d'un ingénieur spécialiste.
• La pose de casings
Tout au long de l’opération de forage, on va isoler progressivement le puits des couches traversées et des aquifères avec la pose de
"casings" : ce sont des tubes en acier de diamètres décroissants, qui viennent s'emboiter et se visser les uns dans les autres
jusqu'en surface et que l’on cimente au fur et à mesure des différentes phases de forage. On injecte pour cela depuis la surface du
coulis de ciment liquide par l’intérieur du casing à cimenter, ce ciment liquide remonte alors dans l’espace annulaire extérieur au
casing, c’est-à-dire entre l’extérieur du casing et le terrain naturel foré, ou éventuellement un casing précédent déjà cimenté dans le
cas de colonnes de casing emboitées, comme dans la coupe schématique ci-dessus. Ces casings et cimentations vont consolider les
parois du forage pour éviter tout affaissement, protéger les nappes aquifères traversées et préserver l’ensemble des couches
traversées d’éventuelles pollutions venant de l’intérieur du puits (débris, déblais, fluides, boue de forage). Un contrôle de la qualité
de la cimentation est systématiquement réalisé via des enregistrements CBL, "Cement Bound Log", lors des opérations dites de
"logging" (enregistrement de divers paramètres physiques, effectué en descendant au bout d'un câble et tout au long du forage des
appareils de mesures spécifiques aux informations recherchées).
L'ensemble de ces opérations destinées à garantir "l'intégrité du puits" (c’est-à-dire la parfaite étanchéité du forage par rapport aux
formations géologiques traversées) est fondamental et classique, systématiquement éprouvé et les procédures mises en place sont
destinées à éviter tout risque de contamination. La parfaite réussite des cimentations, leur étanchéité immédiate et la préservation
de cette étanchéité sur le long terme sont parmi les points les plus importants de la sécurité de l’exploitation des hydrocarbures non
conventionnels.
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2.3 LES RISQUES DE POLLUTION DES NAPPES SUPERFICIELLES LIÉS À LA FRACTURATION
HYDRAULIQUE
Trois catégories de risques sont à examiner :
1. Les fractures directement générées par la fracturation hydraulique ne peuvent pas atteindre une nappe
superficielle :
L’objectif d’une fracturation hydraulique, rappelons-le, est de rendre la roche perméable en la fissurant. Il s’agit en réalité de
microfissures dont l’étendue se limite à quelques dizaines de mètres perpendiculairement au puits, voire quelques centaines de
mètres tout au plus (voir "Hydraulic Fractures: How Far Can They Go?"[2]). Réalisées au niveau de la roche-mère qui est située
généralement à plus de 1000 mètres de profondeur (communément entre 1 500 et 2 000 mètres de la surface du sol, voire plus), les
interventions ont lieu à une profondeur telle que le risque de contaminer les aquifères de surface, situés en général à une profondeur
maximale de 500 mètres, est quasi nul. Une probabilité confirmée par un rapport du Parlement européen[3] : "Sur plus d’un million
de fracturations effectuées dans le monde, aucun cas de contamination d’eau potable directement lié à l’emploi de cette technique
n’a pu être démontré à ce jour." Seule la rare présence d’aquifères à eau douce profonds, proches de la couche de schistes rochemère, pourrait poser problème.
2. Les opérations de fracturation hydraulique doivent être évitées à proximité d'une faille naturelle
Parmi les hypothèses de risques avancées, on évoque parfois celui lié à la fracturation hydraulique effectuée dans une zone
comportant une faille préexistante. Des craintes sont exprimées que puisse survenir dans ce cas sa réactivation et l’ouverture d’un
couloir de circulation, pouvant atteindre les nappes superficielles. Ceci n’est possible que s’il s’agit d’une faille de très grande taille,
capable de mettre en communication des niveaux géologiques situés à une distance verticale importante (entre le gisement, situé à
quelques milliers de mètres de profondeur et les nappes superficielles, proches de la surface). Cette probabilité reste faible, car des
failles de cette nature sont identifiables sur les enregistrements des campagnes de prospection sismique effectuées avant le début
des interventions et sont connues des opérateurs qui ont acquis ainsi une vision précise du sous-sol.
3. L'intégrité des puits est primordiale
​Les rares cas de contamination accidentelle des aquifères proviennent de défauts dans l’étanchéité des puits ("casings" et
cimentation) à l’endroit où ceux-ci traversent les aquifères. Cette probabilité rejoint l’hypothèse évoquée précédemment de risques
de pollutions liées à une remontée de fluides de fracturation le long du puits de forage, dans l’espace annulaire situé entre les
"casings" et la roche. L’accident reste possible, notamment lorsque les procédures de vérification de l’étanchéité des cimentations
ne sont pas respectées. Le risque est cependant très limité : Une étude des rapports isotopiques des hydrocarbures et des gaz nobles
[4] (4He, 20Ne, 36Ar) des gisements de Marcellus et de Barnett aux États-Unis a montré que la présence de traces d'hydrocarbures
dans les aquifères superficiels était en fait naturelle. Dans quelques rares cas seulement, elle était due à des défauts d'intégrité des
puits, qui ont entrainé une communication entre l'aquifère superficiel et les niveaux profonds où ont eu lieu les fracturations
hydrauliques. On précisera également à ce stade que cette problématique ne se limite pas à l’exploitation des Hydrocarbures non
conventionnels mais concerne tous les puits d’exploitation du sous-sol, quels qu’ils soient : eau, géothermie, etc.
Le cas du film Gasland…
Ce film "documentaire" américain, sorti en 2010, met en cause l’exploitation des hydrocarbures non conventionnels aux ÉtatsUnis avec, entre autres allégations, la contamination des eaux de consommation domestiques par des émissions de méthane,
après des supposées opérations de fracturation hydraulique.
Parmi les images chocs, on retient notamment celle d’un robinet d’eau qui s’enflamme à l’approche d’un briquet, du fait de la
présence de gaz inflammable dans l’eau.
Si la réalité de cette image n'est pas contestable, l'explication donnée dans le film relève d'une véritable désinformation (voir
l'interview de son réalisateur, Josh Fox, dans un film du GEP-AFTP, version courte) : il ne s’agissait pas d'une contamination par un
puits d’exploitation d’hydrocarbures non conventionnels mais bien d’une contamination naturelle préexistante de la nappe
superficielle. Ce phénomène s’explique par la présence dans cette nappe de gaz dit biogénique, c’est-à-dire de méthane obtenu
naturellement par la décomposition d’éléments organiques naturels, au sein de la nappe d’eau douce. Il n'y a par ailleurs aucun
forage d'hydrocarbures non conventionnel aux environs de la ferme en question.
[1] Projet au Danemark, site Internet de Total.
[2] Richard J. Davies, Simon Mathias, Jennifer Moss, Steinar Hustoft et Leo Newport - "Hydraulic Fractures: How Far Can They Go?" – 2012 - Durham
Energy Institute, Department of Earth Sciences, Durham University, Royaume-Uni - 2012 - 21 p.
[3] Livre Blanc - "Committee on the Environnement, Public Health and Food Safety" - Union Française des Industries Pétrolières (UFIP) - Avril 2012 - 20 p.
[4] Thomas H. Darrah, Avner Vengosh, Robert B. Jackson, Nathaniel R. Warner, et Robert J. Poreda - "Noble gases identify the mechanisms of fugitive
gas contamination in drinking-water wells overlying the Marcellus and Barnett Shales" - Proceedings of the National Academy of Sciences of
the United States of America (PNAS) - 2014 - 6 p.
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3 / QUELQUES ORDRES DE GRANDEUR
Profondeur des aquifères d'eau potable : elle varie selon la configuration du bassin géologique entre quelques dizaines de
mètres à un millier de mètres environ ; celles utilisées pour les besoins en eau potable et d'irrigation par les particuliers et les
agriculteurs sont le plus souvent à quelques dizaines de mètres de profondeur et généralement à moins de 100 mètres ; celles
utilisées par les agglomérations sont très généralement inférieure à mille mètres (à Paris, il s'agit de l’Albien à 600 m de profondeur ;
à Bordeaux, des sables Eocènes situés à 300 - 400 m.).
Profondeur des gisements d'hydrocarbures non conventionnels : variable également en fonction du bassin géologique
considéré, elle est généralement à plus de 1 500 mètres de profondeur.
4 / RÉGLEMENTATION EN VIGUEUR
Une directive européenne du Parlement Européen et du Conseil datée d'octobre 2000 - Directive Cadre sur l'Eau ("DCE", réf.
2000/60/CE) - fixe le cadre général d'une politique communautaire dans le domaine des eaux à la fois superficielles et souterraines.
Cette Directive est déclinée au niveau des États membres ; elle a été transposée en France par la loi n° 2004-338 du 21 avril 2004,
qui établit un cadre pour une politique communautaire dans le domaine de l’eau et a défini 13 "districts hydrographiques" ; en
France, les acteurs sont : l’Etat et les services décentralisés (DDT et DREAL), les comités de bassin, les agences de l’eau, l’Onema
(Office National de l’Eau et des Milieux Aquatiques), les collectivités locales, les associations pour l’environnement, les usagers, les
entreprises privées, etc. Des plans de gestion destinés à restaurer et protéger les nappes souterraines sont ainsi mis en place.
En France, le principe pollueur-payeur ou PPP est devenu avec la loi Barnier de 1995 un des quatre grands principes généraux du
droit de l'environnement français, avec le principe de prévention, le principe de précaution, ainsi que le principe de participation
(article L110-1 du code de l'environnement). L'article 4 de la Charte de l'environnement dispose : "Toute personne doit contribuer à
la réparation des dommages qu’elle cause à l’environnement dans les conditions définies par la loi."
Préalablement à toute opération industrielle, une étude d'état initial ("baseline study") est conduite sur le site par un bureau
indépendant, afin d'établir précisément l'état environnemental (sol, eau, air, biotopes, inventaires faune et flore) existant avant toute
opération. Cet état des lieux sert de référence pour concevoir le projet industriel dans le respect de l'environnement d'une part et
pour mesurer tout éventuel écart observé pendant ou à la suite des opérations, d'autre part. Une ou plusieurs études d'impact
viennent compléter cet état des lieux tout au long de la vie du projet, afin de suivre précisément les conséquences du projet sur
l'environnement et notamment détecter au plus tôt les éventuels écarts par rapport aux prévisions, afin de les réduire et les
maitriser sans délais.
5 / CONCLUSION
La protection des nappes superficielles, sources d'approvisionnement en eau potable, est depuis longtemps une priorité. Une série
de procédures existent pour garantir l'absence d'interférence entre les forages et les aquifères superficiels : les précautions prises en
cours du forage, lors de la traversée de ces aquifères et également de façon plus générale pour garantir l'intégrité du puits (c’est-àdire l'isolation du forage par rapport aux terrains traversés, qui doit être parfaite) doivent permettre d'éviter la pollution des nappes
aquifères.
Par ailleurs, les précautions et procédures mises en place en surface lors du transport, du stockage et de la manutention des divers
produits nécessaires à l'activité d'exploration-production pétrolière répondent au même objectif.
La règlementation en place en Europe et en France met également l'accent sur la protection des sols et des aquifères et vient ainsi
formaliser et compléter les mesures et procédures des industriels.
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6 / RÉFÉRENCES
Assessment of the Potential Impacts of Hydraulic Fracturing for Oil and Gas on Drinking Water Resources (External
Review Draft)
Date : Juin 2015
Auteurs : United States Environmental Protection Agency (EPA)
http://www2.epa.gov/sites/production/files/2015-06/documents/hf_es_erd_jun2015.pdf
Evaluating a groundwater supply contamination incident attributed to Marcellus Shale gas development
Date : Mai 2015
Auteurs : Proceedings of the National Academy of Sciences des Etats-Unis (PNAS)
http://www.pnas.org/content/112/20/6325.abstract
Groundwater Protection and Unconventional Gas Extraction: The Critical Need for Field-Based Hydrogeological
Research
Date : 2013
Auteurs : R.E. Jackson, A.W. Gorody, B. Mayer, J.W. Roy, M.C. Ryan and D.R. Van Stempvoort
In Groundwater, National GroundWater Association
http://www.skifergas.dk/media/267237/0613_Groundwater-Study-_R-Jackson_-Groundwater-protection-and-Unconventional-gasextraction.pdf
Recommandation de la Commission Européenne
Date : 22 janvier 2014
Recommandation de la Commission Européenne du 22 janvier 2014 relative aux principes minimaux applicables à l’exploration et à
la production d’hydrocarbures (tels que le gaz de schiste) par fracturation hydraulique à grands volumes (2014/70/EU).
http://eur-lex.europa.eu/legal-content/EN-FR/TXT/?uri=CELEX:32014H0070&from=EN
La directive cadre sur l’eau
Eaufrance, le service public d'information sur l'eau.
http://www.eaufrance.fr/comprendre/la-politique-publique-de-l-eau/la-directive-cadre-sur-l-eau
"Fracking UK shale: water"
Date : 2014
UK Department of Energy and Climate Change.
https://www.gov.uk/government/uploads/system/uploads/attachment_data/file/277211/Water.pdf
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