Connaissances géologiques et hydrogéologiques acquises autour de la faille Fécamp-Lillebonne en Normandie

L’ensemble de ces travaux ont été engagés par le BRGM entre 2015 et 2020 afin d'améliorer la compréhension du fonctionnement des eaux souterraines et superficielles dans un territoire marqué par des enjeux importants de gestion quantitative de la ressource en eau sur un secteur soumis à d’importants prélèvements, mais aussi de gestion qualitative des ressources en eau suite à la détection d’une pollution de la rivière et des nappes exploitées pour l’alimentation en eau potable.

Les principaux partenaires de ces travaux sont Caux Seine Agglomération, Le Havre Seine-Métropole (ex. CODAH) et l'Agence de l’Eau Seine Normandie.

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BRGM RP-67087-FR

À la suite de la découverte en 2012 d'une pollution à la n-nitrosomorpholine i.e. NMOR dans plusieurs captages d'eau potable autour de la ville de Bolbec située en Seine-Maritime.

Un plan de surveillance a été mis en place, sous l’impulsion de l’ARS et de différents acteurs. Celui-ci a rapidement permis de mettre en évidence l’étendue plus importante que prévue de la pollution et, en particulier, son caractère très inhabituel ; en effet, des captages situés à la fois sur le littoral de la Manche et de la vallée de la Seine : Yport et Gruchet le Valasse/Lillebonne dans la vallée du Commerce étaient contaminés par la pollution, indiquant que celle-ci avait migré à la fois vers le nord-ouest et vers le sud-est du département, le long d’une structure faillée d’ampleur régionale : la faille de Fécamp-Lillebonne.

Cette dispersion de la pollution mettait ainsi en évidence la complexité des cheminements souterrains, et plus généralement du fonctionnement de l’hydro-système de la Craie dans le secteur de Bolbec.

Face à la persistance de la pollution dans le milieu naturel, le groupe technique de suivi de la pollution a décidé de lancer une étude en 2 phases visant à mieux comprendre comment fonctionne l’hydro-système de la craie ( nappe + rivières) dans le secteur de Bolbec et en aval, de manière à pouvoir mieux appréhender les cheminements possibles que peuvent emprunter la Morpholine (MOR – molécule mère) et la NMOR dans leur migration vers les captages AEP, afin ensuite d’avoir les éléments nécessaires pour mettre en place les mesures du suivi et de protection nécessaires les plus adaptées.

Cette première phase a consisté à la mise en œuvre d'investigations géophysiques et géologiques : gravimétrie, profils électriques, profils sismiques forages et sondages carottés. 

Les investigations géophysiques et géologiques ont permis d’améliorer notre connaissance du contexte géologique et structural entre Mirville au nord et Lillebonne au sud, et particulièrement dans le secteur de Bolbec. Ainsi, la corrélation des données géologiques et géophysiques a permis de proposer un nouveau schéma structural, qui met notamment en évidence :

• la structure en « faisceau » de la structure de Fécamp-Lillebonne, qui délimite des blocs parfois basculés ;

• la présence d’une structure antiforme faillée calée sur le bord nord-est surélevé de la structure, axée N150°, à l’origine de la remontée en sub-surface des formations de la base -du Crétacé supérieur et du Crétacé inférieur ;

• la présence de structures en « graben », orientées NE-SO et axées sur les vallons de la Fontaine Palfray et de Bolbec ;

Ces investigations, couplées à des observations de terrain, ont permis de mettre en évidence la présence d'une structure géologique complexe, organisée autour d'un système de failles en tresses compartimentant le sous-sol. 

Ces travaux ont permis l’identification de nouvelles structures faillées contrôlant les écoulements souterrains et influençant les voies de migration des polluants.

Lors de cette seconde phase, l’analyse de nouvelles mesures piézométriques, jaugeages, nivellement de la rivière de Bolbec et du Commerce et ses affluents mis en œuvre entre 2017 et 2019 a permis ainsi de formuler des hypothèses pour envisager des voies de transfert empruntés par les polluants, depuis les zones sources connues vers les captages d'alimentation en eau potable impactés. Ces propositions se basant sur les connaissances hydrogéologiques acquises, notamment dans les secteurs karstifiés a permis de confirmer le rôle majeur des failles comme voies préférentielles de circulation des eaux, notamment par la mise en évidence des interactions entre nappes et rivières : identification des zones de pertes associées aux systèmes faillés.

Cette seconde phase d’investigation terrain, ainsi que les relevés de terrain menés de manière parallèle par Ragot (Ragot 2020) ont mis en évidence un système faillé complexe dont la géométrie évolue dans l’espace. Chacune de ces structures faillées peut jouer le rôle de drain pour les écoulements, d’autant plus lorsqu’elles traversent les formations carbonatées au sein desquelles la dissolution va agrandir les fractures et accentuer par karstification le rôle de drain. L’analyse croisée des données hydrodynamiques acquises (cartes piézométriques, cartes des lignes d’eau, campagnes de jaugeage), des résultats des sondages géologiques ainsi que d’autres observations hydrogéologiques (artésianisme, résultats d’essais de pompage résultats d’essais de traçage, …) ont permis de caractériser les relations nappes /rivières et de mettre en évidence des zones de pertes en rivière au niveau des systèmes faillés. L’exploitation ensuite des données du suivi de la pollution en MOR et NMOR a permis de conforter le fonctionnement de l’hydrosystème associé au système faillé Fécamp-Lillebonne.

Une synthèse des différentes voies de transfert et du cheminement de la pollution en MOR/NMOR a été établie en prenant en compte à la fois les écoulements matriciels (définis par l’interprétation des cartes piézométrique ) mais également les circulations fissurales et karstiques (mise en évidence par la cartographie du système faillé, les résultats des expériences de traçage, l’analyse des résultats du suivi de la pollution, ...).

Cette étude visait à préparer la mise en place d'un futur modèle de gestion des ressources en eau à l'échelle du territoire du SAGE Commerce.

Les travaux ont permis :

• d'inventorier et de compiler les données géologiques, hydrologiques, hydrogéologiques et climatiques disponibles ;
• d'améliorer la connaissance du fonctionnement des hydrosystèmes associant nappe de craie, alluvions, cours d'eau, zones humides et plaine alluviale de la Seine notamment par la mise en œuvre de 2 campagnes piézométriques (2017 et 2019) et la réalisation de jaugeages sur les cours d’eau du territoire du SAGE ;
• d'évaluer les interactions entre eaux souterraines et eaux superficielles, notamment au niveau des grands systèmes faillés et de la vallée de la Seine ;
• d’effectuer une première évaluation de la pression exercée par les prélèvements sur les ressources en eau ;
• d'identifier les lacunes de connaissances et les besoins en acquisition de nouvelles données, dont la mise en œuvre de réseau de suivi hydrologiques et hydrogéologiques, nécessaires pour permettre la modélisation future des ressources en eau du territoire.

Les trois rapports convergent vers un même constat : le fonctionnement hydrogéologique du territoire est fortement contrôlé par les structures géologiques, en particulier les systèmes de failles Fécamp-Lillebonne et Triquerville-Villequier. Ces structures majeures favorisent le développement de systèmes karstiques au sein des formations crayeuses (parmi les plus importants connus à ce jour en Normandie) qui vont à leur tour influencer les échanges entre rivières et nappes , les écoulements souterrains et trajectoires des polluants ainsi que la disponibilité de la ressource en eau.

Ces études ont permis de formuler des recommandations visant compléter certaines données et à confirmer certaines hypothèses formulées. Une meilleure connaissance et un suivi renforcé de ces mécanismes hydrogéologiques mis en avant s’avèrent en effet indispensables pour sécuriser l'alimentation en eau potable de ce territoire, gérer durablement les ressources en eau souterraines disponibles et préserver la qualité des milieux aquatiques.

• Idée E., Jallais N., Meire B., David P.-Y., Bault V., Malcuit E., Paquet F. avec la collaboration de Clermont G., Bellanger F., Thietry C. (2020) - Étude préalable à la définition de volumes prélevables pour le SAGE de la vallée du Commerce. Etat des connaissances géologiques et hydrogéologiques et acquisitions de données complémentaires. Rapport final. BRGM/RP-69580-FR
• P.-Y. David, B. Meire, D. Pennequin, N. Jallais, V. Bault, E. Idee, R. Albinet, S. Belbeze, J. Ragot (2020) – Fonctionnement de l’hydro-système, interactions et cheminements des eaux naturelles et de la n-nitrosomorpholine dans le secteur de la Faille de Lillebonne – Fécamp (76) – Volet hydrogéologique. Rapport final. BRGM/RP-69139-FR
• Meire B., Portal A., Jacob T., Paquet F., Bitri A., Mathieu F., David P. Y., avec la collaboration de Ragot J. (2019) – Fonctionnement de l’hydro-système, interactions et cheminements des eaux naturelles et de la n-nitrosomorpholine dans le secteur de la Faille de Fécamp-Lillebonne – Volet géologique et géophysique. Rapport final. BRGM/RP-67087-FR
• Baptiste Meire, Pierre-Yann David, Thomas Jacob, Angélie Portal, Fabien Paquet, et al.. Détail d'une structure régionale majeure par méthodes géophysiques combinées - cas de la faille de Fécamp-Lillebonne (Seine-Maritime, France). 22èmes journées techniques du Comité Français d'Hydrogéologie de l'Association Internationale des Hydrogéologues, May 2018, Le Havre, France. ⟨hal-02262164⟩

Raster des interpolations des 2 campagnes piézométriques de 2017 et 2019, version tenant compte des principaux drainages karstiques mis en évidence (fichiers grd zippés) :