Synthèse sur les formations aquifères du bassin

Le bassin Artois-Picardie situé dans la région des Hauts-de-France s’implante dans les parties nord du Bassin de Paris et sud du Bassin de Bruxelles, séparées par les collines de l’Artois, permettant d’observer une importante diversité géologique, avec des dépôts s’étageant du Paléozoïque au Quaternaire. C’est dans les formations poreuses (ou fissurées) et perméables, dites aquifères, que se trouvent les nappes d’eau souterraines.

De par leurs caractéristiques physiques (type de porosité , perméabilité , emmagasinement ) et structurales ( affleurement , sous couverture, failles, plis, etc.), les aquifères présentent des fonctionnements hétérogènes qu’il faut comprendre pour assurer une bonne gestion de la ressource en eau souterraine du bassin . 

En fonction de ces caractéristiques, on distingue plusieurs typologies d’aquifères :

• Libre (surface de l’eau dans l’ aquifère pouvant fluctuer librement) ou captif ( aquifère sous couverture d’une formation très peu perméable, “piégeant” l’eau sous pression, la surface de l’eau - fictive - se situe alors au-dessus de la limite supérieure de l’ aquifère , voire de la cote du sol (on parle alors de nappe artésienne ),
• Monocouche (constitué d’une seule formation géologique) ou multicouche (constitué par une succession de formations géologiques de natures et perméabilités pouvant être différentes, mais en communication hydraulique).

Dans le nord de la France, les eaux souterraines sont la principale ressource en eau exploitée pour l’eau potable, industrielle ou agricole et constituent 75 % des prélèvements en eau en région Hauts-de-France (hors canaux et énergie, données BNPE*[LT1.1] 20201).

L’hydrogéologie régionale est dominée par la nappe de la craie, qui constitue le principal aquifère régional. Ailleurs, on retrouve des aquifères datés du primaire (Carbonifère), du secondaire (Jurassique, Crétacé) du tertiaire (Paléogène, Néogène) et du quaternaire (alluvions notamment).

La nappe de la craie est libre sur la majeure partie du territoire régional. Elle est ponctuellement captive sous les formations tertiaires. Elle assure plus de 94% (AEAP, 2022) de l’approvisionnement en eau potable de la région. 

Le bassin Artois-Picardie forme une pile sédimentaire dont les formations s’étagent comme suit (de la plus récente à la plus ancienne) :

• Quaternaire : Alluvions dans les vallées de la Somme, de l’Escaut et de la Lys, dunes littorales.
• Cénozoïque :
  • Aquifères du Paléocène et de l’Eocène des bassins sédimentaires de Paris et des Flandres,

• Mésozoïque :

  • Formations du Jurassique ;
  • Formations du Crétacé supérieur : Crétacé supérieur : la craie (Sénonien, -Turonien, Cénomanien), Crétacé inférieur : Sables de l’Albien et marnes ;

• Paléozoïque : Formations calcaires du Dévonien et du Carbonifère (Socle profond) ;

Contexte géologique et géographique

L’ aquifère transfrontalier dit des calcaires carbonifères s’étend du Hainaut belge à l’Eurométropole de Lille-Kortrijk-Tournai, sur une bande de 70 km de long et 25 km de large (Crampon et al., 2006).

L’ aquifère est constitué de calcaires dolomitiques de couleur sombre, attribués au Viséen (Carbonifère). L’ aquifère est limité en profondeur par les formations schisteuses plus anciennes. L’épaisseur des calcaires carbonifères est très variable (50 m au cœur du pli anticlinal du Mélantois, plus de 400 m dans le pli synclinal de Roubaix). Fortement plissé et affecté par de nombreuses failles et chevauchements, la tectonique a donné au réservoir une géométrie complexe. Dans la région de Lille, les calcaires sont surmontés par les formations crayeuses et marneuses du Crétacé supérieur puis par les formations sableuses et argileuses du Cénozoïque.

Situés à faible à moyenne profondeur dans la région de Lille (50 à 150 m), les calcaires n’affleurent qu’en Belgique où la nappe est libre. La recharge est alors assurée par l’infiltration des pluies efficaces. Sous couverture sur le reste de son extension, l’ aquifère est captif ou semi-captif. Hormis son alimentation par les précipitations sur les affleurements, la nappe connaît des recharges par pertes de cours d’eau (Escaut principalement), ou par drainance de la Craie sus-jacente.

La productivité de l’ aquifère provient de la fissuration importante qui affecte les formations carbonifères. Cependant, il faut noter que la partie supérieure de l’ aquifère est localement affectée par une karstification (vide créé par dissolution des carbonates de calcium ou magnésium composant la roche, occasionnant des écoulements très rapides si le vide n’est pas rempli par une sédimentation postérieure) (Pinson & Seguin, 2007). Ces karstifications ayant entraîné des effondrements de taille importante en surface (diamètre jusqu’à 15-20 m) par le passé. L’ensemble de la formation n’est toutefois pas affecté par le même degré de fissuration/karstification.

Il est à noter que cet aquifère a été fortement sollicité par le passé, depuis le XIX^e siècle, et a vu son niveau chuter fortement au cours du XX^e siècle (voir infra). Une gestion quantitative transfrontalière a été mise en place et s’est accompagnée de travaux de modélisation mathématique (Picot-Colbeaux et al., 2020).

Dans l’Avesnois, le réservoir calcaire du carbonifère est structuralement organisé en une série de quatre synclinaux majeurs (les synclinaux de Bachant-Ferrière-la-petite, de Dourlers, de Marbaix et d’Etroeungt). Au sein de ce secteur, ces formations constituent la principale ressource en eaux souterraines. Contrairement au reste du bassin où l’ aquifère est profondément enfoui sous la couverture sédimentaire, le calcaire carbonifère affleure directement dans l’Avesnois. Par conséquent, la nappe y est localement libre et se trouve soumise à de fortes pressions hydrodynamiques, ce qui justifie une surveillance accrue de son exploitation notamment au droit des carrières. 

Fiche d'identité :

Problématiques et enjeux

Les principaux enjeux concernent : 

• La préservation quantitative de la ressource
• Les interactions avec les anciennes mines et les actuelles carrières
• Les pollutions industrielles historiques
• La surveillance des transferts profondes
• La sécurisation des captages d’eau potable

En zone urbaine (Métropole lilloise) : le calcaire carbonifère constitue une ressource stratégique locale face à des besoins en eau. Les problématiques majeures y concernent la gestion des remontées de nappe en milieu urbanisé ainsi que le suivi d’une minéralisation globale élevée, marquées par des teneurs notables en sulfates liées à des temps de résidences (Cassanova et al.,2011)

Dans l’Avesnois : ces formations représentent la ressource en eau souterraine la plus sollicitée.

 L’enjeu principal réside dans la maitrise des relations hydrodynamiques entre les eaux de surface et les eaux souterraines au sein d’un système karstique libre, tout en encadrant l’impact géotechnique et hydrodynamique des exploitations de carrières en activité (Négré et al.,2018)

Contexte géographique et géologique

Les formations du Jurassique sont principalement retrouvées dans la Boutonnière du Boulonnais, dans le pays de Bray et au nord du Département de l’Aisne. Dans ces deux dernières zones, les nappes sont peu exploitées et étudiées. Dans le Boulonnais, les formations jurassiques sont composées d’alternances de marnes, d’argiles, de sables, de grès et de calcaires. Les formations argileuses et marneuses constituent la plus grande partie de la série jurassique du Boulonnais. Les formations aquifères sont plus limitées (5 à 35 m d’épaisseur) et se décomposent en trois sous-ensembles principaux (Crampon et al., 2006) :

• Les sables et grès du Tithonien (appellation locale des Grès de Châtillon et Grès de la Crêche) ;
• Les calcaires fissurés de l’Oxfordo-Kimmeridgien, qui constituent la ressource majeure du Jurassique ;
• Les calcaires oolithiques du Bathonien.

Les nappes que renferment ces formations sont discontinues, de faibles extension et épaisseur, et sont affectées par différentes discontinuités (failles, vallées, etc.). L’ensemble pourrait être considéré comme un aquifère multicouche soumis à des phénomènes de drainance (essentiellement descendante), libre aux affleurements et en bordure et semi-captif, voire captif dans les couches inférieures.

La recharge est majoritairement assurée par l’infiltration des eaux de pluie et drainance à travers les formations semi-perméables. De nombreuses sources drainent cet ensemble d’aquifères, tout comme le réseau hydrographique (El-Ouafi, 1993). La vidange des nappes contribue alors au soutien d’étiage des cours d’eau. La capacité d’ emmagasinement des aquifères est faible et leur vidange rapide.

De par l’absence de continuité hydraulique à l’échelle du Boulonnais, ces nappes sont d’intérêt local. De bonne productivité, elles sont toutefois identifiées dans les vallées là où les aquifères sont recouverts par les alluvions, elles-mêmes saturées en eau (Mania & Ricour, 1974). La proximité du littoral rend également ces aquifères vulnérables au risque d’arrivées d’eau saumâtre.

Fiche d'identité

Problématiques et enjeux

Les principaux enjeux concernent :

• La préservation quantitative de la ressource face à la pollution industrielles historique du Boulonnais ;
• Les pollutions industrielles profonds ;
• La sécurisation des captages d’eau potable ;
• La caractérisation des relations eau de surface – eau souterraine ;
• L’évaluation hydrodynamique des ressources au sein d’un réservoir fortement fractionné par la tectonique. 

Contexte géographique et géologique

Cette nappe est située à grande profondeur souvent plus de 200 à 300 m sous la partie méridionale du district. Elle est constituée de sables verts glauconieux datant du crétacé inférieur (Albien). Cet aquifère est confiné (captif) à l’échelle régionale entre deux formations imperméables : les argiles du Gault au-dessus qui l’isolent de la craie et les argiles du Barrémien-Aptien en dessous. Ces conditions structurales imposent un confinement hydraulique à l’échelle régional, limitant les échanges verticaux directs (Amédro et al.,2012). Ces formations correspondent à une succession de sables fins à moyens marins, de niveaux argileux, des horizons glauconieux et des argiles de Gault.

Cet aquifère est un réservoir sableux à porosité intergranulaire continue. Les écoulements se produisent dans les horizons sableux perméables, et les niveaux les moins argileux. Le caractère captif de l’ aquifère limite les échanges avec la surface.

Les temps de résidence de l’eau sont généralement élevés ( BRGM ,2017). 

La recharge est très limitée dans le bassin Artois-Picardie en raison du confinement argileux, de la profondeur des formations, de la faible connexion avec la surface. Les circulations souterraines sont lentes et isotropes. Les pressions de la nappe peuvent être importantes dans certains secteurs captifs, ce qui lui confère un caractère artésien. 

Fiche d’identité :

Problématique et enjeux

• Préservation quantitative de la nappe ( nappe non renouvelable à l’échelle humaine, considérée comme une réserve fossile) ;
• Encadrement des forages industriels ou d’alimentation en eau potable (AEP) pour éviter une baisse irréversible de la charge piézométrique
• Surveillance de la qualité technique des tubages des forages profonds pour interdire toute communication avec la nappe de la craie sus-jacente

Contexte géographique et géologique

Les formations du Crétacé supérieur sont les plus présentes sur l’ensemble de la région des Hauts-de-France (environ 90 % de la région), affleurantes dans 52 % du territoire. Le Crétacé supérieur se divise en plusieurs étages. On retrouve dans la région (du plus âgé au plus récent) (Caudron & Roux, 2006 ; Crampon et al., 2006) :

• Les formations du Cénomanien, constituées d’alternances de craie marneuses et de marnes, voire de calcaire grossier et de conglomérat (“tourtia” des mineurs) à la base ; Ces formations ne sont considérées aquifères qu’au nord-ouest de la région et dans l’Artois où le faciès est plus crayeux ;
  • Les formations du Turonien moyen et inférieur, constituées principalement de marnes argileuses (“Dièves” des mineurs) ainsi que d’alternance de marnes et de bancs plus crayeux. Dans le pourtour du Boulonnais et dans le Haut Artois, des bancs de faciès plus crayeux sont également rencontrés ;
• L’ensemble de formations du Turonien supérieur, du Coniacien et du Santonien, composé de craies (dites grises à la base puis blanches) avec des lits de silex.

D’un point de vue structural, ces formations sont principalement affectées par le bombement anticlinal de l’Artois d’axe NO-SE, marquant la séparation entre les bassins sédimentaires des Flandres et de Paris (Beckelynck, 1981). Cette structure plissée et faillée est dissymétrique avec un pendage plus important au nord, où les couches du Crétacé plongent sous la couverture du Cénozoïque, alors qu’au sud, les formations deviennent rapidement tabulaires dans la Somme. Les failles associées à cette structure présentent des rejets importants, pouvant constituer des limites aux aquifères crayeux (Caulier, 1974). D’autres éléments structuraux viennent toutefois modifier la géométrie des aquifères crayeux dans la région ; notamment aux abords de la cuesta du Boulonnais, au niveau de l’ anticlinal du pays de Bray ou encore au niveau du Mélantois, vers la région de Lille où l’épaisseur de craie est fortement diminuée.

Les formations crayeuses sont initialement poreuses mais peu perméables ( porosité d’interstice - matricielle - élevée mais perméabilité faible : écoulement lent à travers les pores). La productivité de ces aquifères provient essentiellement de la fissuration (Downing et al., 1993 ; West et al., 2023). Celle-ci est plus importantes aux abords des vallées (réseau hydrographique) et vallons secs, puis diminue avec l’éloignement des axes de drainage. La productivité est essentiellement assurée par les premiers mètres (20-30 m), plus fissurés. L’épaisseur de zone non saturée ( ZNS ) évolue inversement et est maximale dans les plateaux. Cette épaisseur est très variable, de quelques mètres à plus de 70 m dans certains plateaux de l’amont de la Somme. Des écoulements de type karstique sont également suspectés localement (cran d’Escalles (Bracq & Brunin, 1999), source de la Lys à Lisbourg (Maqsoud, 1996).

Majoritairement libres lorsqu’ils affleurent, les aquifères crayeux sont captifs dans les bassins sédimentaires des Flandres, d’Orchies et de Paris, voire artésiens (début du bassin des Flandres, au Nord de l’Artois, ou sous les alluvions argileuses de certaines vallées du Pas-de-Calais et de l’Oise). Au cœur de ces bassins, sous épais recouvrement, la productivité de la craie diminue fortement. A l’inverse, dans l’Artois, sous l’effet des variations de faciès , deux nappes s’individualisent entre les formations du Turonien et du Cénomanien (secteur de Fruges, Pas-de-Calais).

L’alimentation de ces aquifères se fait préférentiellement par les pluies efficaces dans les zones libres. En complément, les nappes crayeuses peuvent être alimentées par drainance à travers leur couverture, qu’elle soit du Paléogène ou du Quaternaire (alluvions, formations du littoral). Des échanges existent également avec les aquifères sous-jacents, notamment la craie alimente par drainance les calcaires carbonifères dans la région de Lille.

Si la “ nappe de la craie” est souvent considérée comme homogène et libre à l’échelle régionale, il en demeure que cette homogénéité n’est qu’apparente. A l’échelle locale, les aquifères crayeux peuvent être multiples (voire multicouche, ensemble de couches crayeuses séparées par des intercalations marneuses) et présenter différents facteurs d’hétérogénéité (Bracq, 1992 ; Bakalowicz, 2018).

Fiche d’identité :

Problématiques et enjeux :

La nappe de la craie représente une ressource stratégique majeure pour le bassin Artois-Picardie. Les principaux enjeux concernent :

• La sécurisation de l’alimentation en eau potable
• La préservation quantitative et qualitative de la ressource
• La réduction des pollutions diffuses
• L’adaptation au changement climatique
• Le maintien des débits d’étiage des cours d’eau 

Contexte géographique et géologique

Les aquifères des sables tertiaires occupent principalement la partie nord du bassin Artois-Picardie, notamment dans les Flandres françaises, la plaine de la Lys, le secteur Lille-Roubaix-Tourcoing et certaines zones du Cambrésis et du Hainaut. Ils appartiennent à l’extrémité septentrionale du bassin de Paris où les formations tertiaires recouvrent progressivement les terrains crayeux du Cétacé supérieur.

Ces formations ont été déposées durant le paléogène dans des environnements marins peu profonds, lagunaires et localement continentaux. La succession lithologique est marquée par une alternance de sables fins à moyens ; sables glauconieux, argiles, limons argileux, niveaux ligniteux localisés.

 A l’échelle du district, les principaux niveaux aquifères correspondent aux sables d’Ostricourt (Landénien) et aux sables de Cuise (yprésiens inférieur).  Ces niveaux sableux sont séparés par des formations argileuses imperméables, notamment : les argiles des Flandres, les argiles sparnaciennes dans les secteurs méridionaux.

Cette organisation géologique produit un système hydrogéologique multicouche où alternent aquifères et aquitards. Les formations tertiaires jouent également un rôle majeur dans le confinement de la nappe de la craie dans le nord du bassin . L’épaisseur des dépôts tertiaires varie fortement selon les secteurs : quelques mètres sur les bordures, plusieurs dizaines de mètres dans les zones subsidentes du bassin des Flandres notamment au droit de la plaine de la Flandre maritime.

Ces aquifères sont essentiellement développés dans les horizons sableux à porosité intergranulaire. Contrairement à la craie ou aux calcaires carbonifères, les circulations d’eau ne sont pas principalement liées à la fracturation mais à la perméabilité des sables.

Ces sables présentent généralement une granulométrie fine à moyenne, une bonne porosité , une saturation quasi permanente lorsqu’ils sont captifs.

Les horizons argileux intercalés compartimentent les écoulements et limitent les échanges verticaux. Cette structuration entraîne des nappes superposées, des écoulements plus lents, des temps de résidence plus long que dans la craie.

Dans les zones d’ affleurement , les nappes peuvent être libres. Sous couverture argileuse, elles deviennent captives à semi-captives.

Les travaux régionaux BRGM montrent que les épaisseurs sableuses de l’Yprésien peuvent atteindre localement 50 à 70 m dans le nord du bassin de Paris.

Fiche d’identité :

Problématiques et enjeux :

Les principaux enjeux liés aux aquifères tertiaires concernent :

-        La sécurisation de l’alimentation en eau potable (pour les Belges) 

-        La préservation quantitative dans les secteurs urbanisés

-        La gestion des interactions avec la craie

-        La protection des zones d’ affleurement

-        La surveillance des pollutions industrielles historiques.

Dans les Flandres et la métropole lilloise, ces nappes constituent des ressources stratégiques complémentaires aux autres aquifères régionaux.

Contexte géographique et géologique

Les dépôts littoraux du Quaternaire sont également susceptibles d’abriter des nappes . Leur extension et productivité restent modestes en comparaison des aquifères précédents.

A l’ouest de la région, la plaine maritime est constituée de dépôts littoraux récents qui reposent sur une plateforme continentale crayeuse (Crétacé supérieur) (Czernichowski-Lauriol, 1996). Dans cette plaine d’altitude très basse (4-5 m, “Bas Champs”), la couverture quaternaire est composée de sédiments sablo-argileux, plus ou moins fins, où s’intercalent des niveaux tourbeux. Localement, des secteurs d’altitude un peu plus élevée (10 m) sont constitués de graviers et galets, matériaux grossiers déposés par les courants marins.

Les formations du littoral renferment une nappe libre de faible profondeur (1 à 2 m par rapport au sol naturel). Son alimentation est essentiellement assurée par précipitations. Le long du littoral de la Manche (hors Boulonnais), ces formations reposent sur la craie dont la nappe devient captive ou semi-captive là où le Quaternaire est argileux. Les contacts entre la craie et les formations du littoral sont à l’origine de zones marécageuses. Les formations des Bas Champs n’étant pas toujours suffisamment imperméables, des interactions entre ces zones marécageuses, le réseau hydrographique et les aquifères sous-jacents (Quaternaire et craie) ont été mises en évidence à l’échelle locale (Bault et al., 2018 ; Bault et al., 2023).

Les sables qui composent les dunes contiennent également une nappe libre perchée, de faible importance, au-dessus des formations quaternaires des Bas Champs, de perméabilité plus faible. Au nord de la région, sur le littoral de la mer du Nord, ces formations sableuses sont également présentes et renferment des nappes peu productives (“sables pissarts”).

Fiche d’identité :