Contribution à l'étude de l'impact des anciens travaux miniers de charbon sur les eaux souterraines : application à la région d'Alès (Gard), Contribution to the study of the impact of former mining works of coal on groundwater : application to the region of Alès (Gard)

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Sous la direction de Véronique Merrien-Soukatchoff
Thèse soutenue le 06 juillet 2009: INPL
Cette thèse est une contribution à la connaissance des impacts, quantitatifs et qualitatifs, liés à la déprise minière de la région d’Alès. Le travail a consisté en l’analyse et l’interprétation de données quantitatives et qualitatives des eaux d’émergences des anciennes mines de charbon du bassin alésien afin de connaître la composition chimique des eaux d’émergences et de l’expliquer. Pour cela, nous avons utilisé des Analyses en Composantes Principales (ACP), des diagrammes de Piper et de Schoeller-Berkalov sur l’ensemble des émergences. Dans un deuxième temps, nous avons réalisé une analyse de l’évolution temporelle des concentrations de chaque élément pour les émergences où les données sont disponibles. L’aspect quantitatif est étudié grâce à une synthèse des connaissances disponible sur le réservoir minier de Fontanes (géologie, répartition spatiale, données de pompage et de niveaux piézométriques). Certaines émergences présentent une qualité qui rend impossible leur rejet direct dans l’environnement et il est important dans cette situation de bien définir la masse d’eau concernée. Pour cela, nous avons élaboré un modèle hydrodynamique par automates séquentiels. Il est appliqué aux anciens travaux de Rochebelle-St-Martin, aboutissant à la détermination des paramètres perméabilité et épaisseur du réservoir par reconstitution du niveau piézométrique du réservoir tout en tenant compte d’un pompage encore maintenu dans l’exploitation. Cette modélisation permet de mieux connaître les paramètres définissant l’aquifère minier dans la perspective d’exploiter cette réserve. Ces eaux de mines présentent une qualité médiocre. A partir d’une meilleure connaissance hydrodynamique du système, obtenue par la modélisation, il devient possible de proposer une valorisation de cette eau par utilisation de ses calories en géothermie connaissant la géométrie du réservoir minier. Les anciennes exploitations minières sont à nouveau source d’énergie
-Hydrogéologie minière
-Après-mine
-ACP
-Analyses de données
-Géothermie
-Modélisation
This thesis is a contribution to the knowledge of the quantitative and qualitative impacts, linked to the abandonment of the mining works on Alès coal basin. This work consisted in analysis and interpretation of quantitative and qualitative data on the waters outflows of former coal mines in order to determine the chemical composition of groundwaters outflows and the water chemistry. For that, we used principal component analysis, diagrams of Piper and Schoeller-Berkalov on all waters outflows. Secondly, we analyzed the temporal evolution of concentrations of each element for the waters outflows. The quantitative aspect is therefore considered by the synthesis of knowledge available on the mining reservoir of Fontanes (geology, spatial distribution, pumping data and piezometrics levels). Some groundwaters outflows have a quality that makes their direct discharge into the environment impossible and it is important, in this situation, to define the affected body of the water. For that, we have developed a hydrodynamical model by sequential automaton. It is applied to the former works of Rochebelle-St-Martin de Valgalgues leading to the determination of the parameters permeability and thickness of mining aquifer recovery of piezometric level of the reservoir while taking into account a pumping still maintained. This model will lead to a better comprehension of the parameters defining the aquifer in the mining perspective to exploit this reserve. The mine water has a poor quality. After a better knowledge obtained by a hydrodynamical modeling, it becomes realistic to propose a recovery of this water by use of its calories from geothermal and knowing the geometry of the tank mine
-Post-mining
-Geothermy
-Modeling
-Principal component analysis
-Data analysis
Source: http://www.theses.fr/2009INPL035N/document
Publié le : vendredi 28 octobre 2011
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THESE
Présentée à
L’INSTITUT NATIONAL POLYTECHNIQUE DE LORRAINE
Laboratoire Environnement, Géomécanique et Ouvrages
Ecole doctorale RP2E
Thèse préparée à l’Ecole des Mines d’Alès pour l’obtention du titre de
DOCTEUR en Génie Civil – Hydrosystèmes - Géotechnique

par

Stéphanie GAIROARD



CONTRIBUTION A L’ETUDE DE L’IMPACT DES
ANCIENS TRAVAUX MINIERS DE CHARBON SUR
LES EAUX SOUTERRAINES : APPLICATION A LA
REGION D’ALES (Gard)


----------------------------------------------------------
Soutenue publiquement le 06 juillet 2009 devant le jury composé de :

Jean-Pierre FAILLAT (Rapporteur)

Jacques MUDRY (Rapporteur)

Anne-Lise COURBIS (Examinateur)

Antoine DOMINGUEZ (Examinateur)

Bernard VAYSSADE (Examinateur)

Véronique MERRIEN-SOUKATCHOFF (Directeur de thèse)



Avant-propos

Je tiens tout d’abord à remercier Véronique Merrien-Soukatchoff pour la direction de cette
thèse, ses nombreuses remarques qui ont permis de faire avancer ce travail et son accueil
toujours chaleureux à Nancy.

J’exprime ma gratitude à Jean-Pierre Faillat d’avoir accepté d’être rapporteur de cette thèse et
d’en avoir présidé le jury. Je lui adresse aussi mes remerciements pour m’avoir fait partager
son expérience dans les analyses de données, toujours de bon conseil et qui a pris le temps de
nombreuses discussion sur le sujet.

Je remercie aussi Jacques Mudry pour avoir été rapporteur de la thèse et pour ses remarques
éclairées.

J’ai eu plaisir à échanger avec Antoine Dominguez, expert en géothermie et membre du jury
de thèse. Un grand merci aussi pour les discussions que nous avons eues sur le sujet.

Je remercie Bernard Vayssade pour son encadrement, sa grande disponibilité et ses nombreux
conseils sur l’ensemble de cette thèse.

Je tiens aussi à remercier Anne-Lise Courbis sans qui le travail de modélisation n’aurait pas
existé, à sa patience pour les nombreuses améliorations qu’elle a apportées au modèle.

Je remercie Pierre-Alain Ayral, enseignant chercheur au LGEI qui a pris le temps de
m’expliquer le fonctionnement des SIG toujours dans la bonne humeur et à ses colocataires de
bureau, Laurent et Fred, pour m’avoir fait une place dans leur espace.

Un grand merci à toutes les personnes que j’ai rencontrées au cours de cette thèse et qui m’ont
permis de découvrir la mine au passé et au présent :
Pierre Bérard, hydrogéologue, qui m’a accompagné sur le terrain pour découvrir les
mines de ma zone d’étude et les personnes qui ont travaillé à la mine comme Stephan Adam
(ancien mineur de Rochessadoule) source d’anecdotes et d’informations sur la mine et d’une
très grande générosité.
Philippe Choquet, ingénieur dans la section sous-sol de la DRIRE à Alès, pour
m’avoir laissé l’accès à sa grande réserve d’information sur les concessions de la région
d’Alès et les discussions enrichissantes que nous avons eu.
Jean-Pierre Rolley pour m’avoir aidé dans la découverte de la géologie de la région
d’Alès.
Christian Guevara, de l’UTAM Gardanne, pour son accueil amical et pour m’avoir
transmis les informations en sa possession
Agnès Blachère, du bureau d’étude Cesame, pour m’avoir transmis les données
nécessaires à ce travail.

Je remercie Mme Fouletier, Mr Vimont et Mr Vinches pour m’avoir accueilli au CMGD et au
sein du groupe génie civil. Un grand merci au personnel du CMGD qui a contribué au bon
déroulement de mon travail : Sylvie Cruvellier, secrétaire du CMGD, d’une efficacité
redoutable et toujours de bon conseil ; les voisins de bureau, Laurent, Pierre A, Pierre G, … . Merci à Hélène, Cécile et Aurore, du centre de documentation, pour leurs conseils et leur
efficacité.

Et bien sûr, je ne peux pas oublier dans ces remerciements l’équipe du midi et des sorties
‘extra-thèse’ pour tous les moments de rigolade et les partages d’expériences hétéroclites qui
ont été essentielles pour changer d’air du début à la fin de ce projet : Nicolas P., Jean-
Sébastien, Robert P., Ali et Parisa, Mohammad, Rodolphe, Adnan, Claire, Nicolas C. et ceux
que j’ai oublié de citer.

Enfin, mes remerciements les plus sincères seront adressés à mes parents et à Olivier, pour
leur soutien quotidien qui a permis, sans conteste, l’aboutissement de ce projet. RRRRééééssssuuuummmméééé

Cette thèse est une contribution à la connaissance des impacts, quantitatifs et
qualitatifs, liés à la déprise minière de la région d’Alès.

Le travail a consisté en l’analyse et l’interprétation de données quantitatives et
qualitatives des eaux d’émergences des anciennes mines de charbon du bassin alésien afin de
connaître la composition chimique des eaux d’émergences et de l’expliquer. Pour cela, nous
avons utilisé des Analyses en Composantes Principales (ACP), des diagrammes de Piper et de
Schoeller-Berkalov sur l’ensemble des émergences. Dans un deuxième temps, nous avons
réalisé une analyse de l’évolution temporelle des concentrations de chaque élément pour les
émergences où les données sont disponibles.

L’aspect quantitatif est étudié grâce à une synthèse des connaissances disponible sur le
réservoir minier de Fontanes (géologie, répartition spatiale, données de pompage et de
niveaux piézométriques).

Certaines émergences présentent une qualité qui rend impossible leur rejet direct dans
l’environnement et il est important dans cette situation de bien définir la masse d’eau
concernée. Pour cela, nous avons élaboré un modèle hydrodynamique par automates
séquentiels. Il est appliqué aux anciens travaux de Rochebelle-St-Martin, aboutissant à la
détermination des paramètres perméabilité et épaisseur du réservoir par reconstitution du
niveau piézométrique du réservoir tout en tenant compte d’un pompage encore maintenu dans
l’exploitation.
Cette modélisation permet de mieux connaître les paramètres définissant l’aquifère minier
dans la perspective d’exploiter cette réserve.

Ces eaux de mines présentent une qualité médiocre. A partir d’une meilleure
connaissance hydrodynamique du système, obtenue par la modélisation, il devient possible de
proposer une valorisation de cette eau par utilisation de ses calories en géothermie connaissant
la géométrie du réservoir minier. Les anciennes exploitations minières sont à nouveau source
d’énergie.



Mots clés : hydrogéologie minière, après-mine, ACP, analyses de données, géothermie,
modélisation
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This thesis is a contribution to the knowledge of the quantitative and qualitative
impacts, linked to the abandonment of the mining works on Alès coal basin.

This work consisted in analysis and interpretation of quantitative and qualitative data
on the waters outflows of former coal mines in order to determine the chemical composition
of groundwaters outflows and the water chemistry. For that, we used principal component
analysis, diagrams of Piper and Schoeller-Berkalov on all waters outflows. Secondly, we
analyzed the temporal evolution of concentrations of each element for the waters outflows.

The quantitative aspect is therefore considered by the synthesis of knowledge
available on the mining reservoir of Fontanes (geology, spatial distribution, pumping data and
piezometrics levels).

Some groundwaters outflows have a quality that makes their direct discharge into the
environment impossible and it is important, in this situation, to define the affected body of the
water.
For that, we have developed a hydrodynamical model by sequential automaton. It is
applied to the former works of Rochebelle-St-Martin de Valgalgues leading to the
determination of the parameters permeability and thickness of mining aquifer recovery of
piezometric level of the reservoir while taking into account a pumping still maintained.
This model will lead to a better comprehension of the parameters defining the aquifer
in the mining perspective to exploit this reserve.

The mine water has a poor quality. After a better knowledge obtained by a
hydrodynamical modeling, it becomes realistic to propose a recovery of this water by use of
its calories from geothermal and knowing the geometry of the tank mine.



Keywords: Post-mining, data analysis, principal component analysis, geothermy, modeling

Table des matières

Avant-propo s
Résumé
Table des matières _________________________________________________________ 1
Liste des figures ___________________________________________________________ 6
Liste des tableaux _________________________________________________________ 10
Introduction générale ______________________________________________________ 11

CHAPITRE I :
BIBLIOGRAPHIE ____________________________________________________________ 13
I.1. SITUATION GEOGRAPHIQUE _______________________________________________ 15
I.2. GEOLOGIE DE SURFACE DE LA ZONE ETUDIEE _________________________________ 15
I.2. 1.Le socle _____________________________________________________________________ 17
I.2. 2.Primaire _____________________________________________________________________ 17
I.2. 3.Secondaire ___________________________________________________________________ 18
I.2. 3.1.Trias ___________________________________________________________________ 18
I.2. 3.2.Lias ____________________________________________________________________ 19
I.2. 3.3.Jurassique moyen _________________________________________________________ 20
I.2. 3.4.Jurassique supérieur _______________________________________________________ 20
I.2. 3.5C.rétacé inférieur _________________________________________________________ 20
I.2. 4.Tertiaire _____________________________________________________________________ 21
I.2. 5.Quaternaire __________________________________________________________________ 22
I.2. 6.Conclusion sur la géologie de la zone étudiée ____________________________________ 22
I.3. LES MINERAIS DANS LA ZONE D’ETUDE ______________________________________ 23
I.3. 1.Types de minerais ______________________________________________________________ 23
I.3. 2.Les mines métalliques sur les concessions de Roeclhle bet Saint-Martin de Valgalgues ______ 25
I.3.2 .1.Origine des minéralisations ________________________________________________ 26
I.3.2. 1.Au1 .Stéphanien _________________________________________________________ 26
I.3.2. 1.Au2 .Trias ______________________________________________________________ 27
I.3.2. 1.Au3 .Lias _______________________________________________________________ 27
I.3.2 .2.Descriptifs des mines métalliques ____________________________________________ 27
I.4 . FOND GEOCHIMIQUE ___________________________________________________ 31
I.4. 1.Influence de la lithologie sur la composition aduexs seouterraines et de surface ___________ 32
I.4.1 .1.Influence des calcaires (28%) et dolomies (17%)_ _____________________________ 32
I.4.1 .2.Influence des zones de socle (7%) ________________________________________ 32
I.4.1. 2.Ea1u.x souterraines ______________________________________________________ 32
I.4.1. 2.Ea2u.x de surfaces ______________________________________________________ 33
I.4.1 .3.Influence des terrains salifères _______________________________________________ 34
I.4.1 .4.Influence des charbons ___________________________________________________ 34
I.4.1. 4.E1a.ux souterraines ______________________________________________________ 35
I.4.1. 4.E2a.ux de surface _______________________________________________________ 35
I.4.1 .5.Synthèse ________________________________________________________________ 35
I.4.1. 5.Ea1u.x souterraines ______________________________________________________ 35
I.4.1. 5.Ea2u.x de surface _________________________________________________________ 36
1

I.4. 2.Les éléments particuliers ______________________________________________________ 37
I.4.2 .1.L’ion chlorure _____________________________________________________________ 37
I.4.2 .2.Élément trace : l’arsenic _________________________________________________ 38
I.4. 3.Réactions chimiques et géologie ________________________________________________ 40
I.4.3 .1.Le fer __________________________________________________________________ 40
I.4.3 .2.Les sulfates _____________________________________________________________ 40
I.4.3 .3.Le sodium _______________________________________________________________ 41
I.4.3 .4.L’hydrogénocarbonate ____________________________________________________ 41
I.4.3 .5.Les chlorures _____________________________________________________________ 42
I.4.3 .6.Le magnésium ___________________________________________________________ 42
I.4.3 .7.Le calcium ______________________________________________________________ 42
I.4. 4.Principe et exemples de comportement chimique daeusx ede mines ____________________ 42
I.5 . Hydrologie et hydrogéologie de la zone d’étude ___________________________ 43
I.5 .1.Hydrologie ____________________________________________________________________ 43
I.5. 1.1L.’Auzonnet _______________________________________________________________ 43
I.5. 1.2L.e Grabieux ______________________________________________________________ 44
I.5. 1.3.L’Avène ________________________________________________________________ 44
I.5. 1.4.Le Gardon d’Alès _________________________________________________________ 44
I.5. 1.5L.e Galeizon _______________________________________________________________ 44
I.5. 1.6.La Cèze _________________________________________________________________ 44
I.5 .2.Hydrogéologie _________________________________________________________________ 46
I.5. 2.1L.es schistes métamorphiques et roches cristallin_e_s_ ___________________________ 46
I.5. 2.2L.e Trias __________________________________________________________________ 47
I.5. 2.3L.’Hettangien _____________________________________________________________ 47
I.5. 2.4.Le Jurassique moyen et supérieur (Sinémurien) _____________________________ 47
I.5. 2.5L.e Crétacé inférieur _______________________________________________________ 47
I.5. 2.6.Le Quaternaire ___________________________________________________________ 47
I.5 .3.Hydrogéologie minière _________________________________________________________ 49
I.5. 3.1.Les techniques d’extraction sur la zone d’étude _________________________________ 49
I.5. 3.2N.otion de réservoir minier ________________________________________________ 50
I.5. 3.3.Concessions de Rochebelle et de St Martin de Vgaulgeasl : Site de Fontanes __________ 50
I.5. 3.4.Concession de la Grand Combe Ouest _______________________________________ 52
I.5.3. 4.Fa1is.ceau des Oules ____________________________________________________ 53
I.5.3. 4.Fa2is.ceau de Laval _____________________________________________________ 54
te
I.5.3. 4.Fa3i.sceau de S Barbe ___________________________________________________ 5 4
I.5.3. 4.Fa1is.ceau de Ricard ______________________________________________________ 55
I.5.3. 4.Fa2is.ceau de Grand’ Baume _______________________________________________ 55
I.5.3. 4.Le3s. faisceaux superficiels : faisceau de Lumin ièerte sde Champclauson ___________ 55
I.5. 3.5C.oncessions de Grand Combe Est, de Robiac et Meynreasn, de Trélys et Palmesalade
(Figure 27) 5 7
I.5.3. 5R.é1se.rvoir de Bessèges-Rochessadoule _____________________________________ 57
I.5.3. 5R.é2se.rvoir de Molières - Saint-Jean _______________________________________ 58
I.5.3. 5R.é3s.ervoir de Trélys ______________________________________________________ 58
I.6 . PLUVIOMETRIE DE LA ZONE D’ETUDE ______________________________________ 58
I.7 . LES MODELES APPLIQUES AUX RESERVOIRS MINIERS _________________________ 59
I.7. 1.Modèle hydrogéochimique ______________________________________________________ 60
I.7.1 .1.Modèles globaux (boîtes noires) ___________________________________________ 60
Un réservoir _____________________________________________________________________ 60
I.7.1 .2.Modèles distribués ________________________________________________________ 61
I.7. 2.Modélisation hydrodynamique __________________________________________________ 62
I.7.2 .1.Modèles globaux (boîtes noires) ___________________________________________ 62
I.7.2 .2.Modèles distribués _______________________________________________________ 63
I.7.2. 2.M1ét.hode des éléments finis _____________________________________________ 63
I.7.2. 2.Ré2s.eau de tubes ______________________________________________________ 63
I.7.2. 2.M3o.délisation par évènements discrets basé sur deasc hmines séquentielles ________ 6 4
2

I.7. 3.Couplage de modèles hydrodynamique et chimique _______________________________ 64
I.7.3 .1.Modèle de boîte couplé avec un modèle d’écoulemcleansts ique ___________________ 64
I.7.3 .2.Modèle de tube simulant débit et paramètres ph-ycshicimoiques ___________________ 65
I.8. Conclusion du chapitre I ________________________________________________ 6 5

CHAPITRE II :
VALORISATION SPATIALE ET TEMPORELLE DES DONNEES MESRUEES A L’EMERGENCE DES
ANCIENS TRAVAUX MINIERS ________________________________________________ 66
II.1. Les données ___________________________________________________________ 6 8
II.1 .1N.ature des données __________________________________________________________ 68
II.1 .2P.ré-classement des données ___________________________________________________ 68
II.1 .3Q.ualité des données __________________________________________________________ 68
II.1 .4.Quantité de données disponibles __________________________________________________ 69
II.2. Matrice des distributions et des relations entérem eénlts chimiques et paramètres __ 73
II.3. Analyses statistiques ____________________________________________________ 74
II.3. 1A.nalyse en composantes principales (ACP) _______________________________________ 74
II.3. 1.1D.escription de la méthode ________________________________________________ 74
II.3. 1.2R.ésultats des ACP sur les paramètres communs à etso ulets émergences _____________ 75
II.3.1. 2A.CP1 .n°1 : Variables (ions majeurs, fer total, spoHm mete des anions) sur 15
émergences ____________________________________________________________________ 76
2- 2+ 2+
II.3.1. 2A.CP2 .n°2 : Variables (SO, Ca + Mg, Fe et somme des cations et des anions) sur 16 4 total
émergences ____________________________________________________________________ 78
2- 2+ 2+ 2+
II.3.1. 2A.CP3 .n°3 : Variables (SO, Ca +Mg et Fe et la somme des cations et des anions) sans 4
les émergences de Laval, Fontanes et Silhol _______________________________________ 80
- + - 2+ 2+ 2+ 2+ 2-
II.3.1. 2A.CP4 .n°4 : Variables (,Cl Na, HCO , Mg+Ca ,Mg , Ca et SO) sur 16 émergences 823 4
2+
II.3.1. 2A.CP5 n.°5 : Variables en lien avec la présence d(ep Hf,e rFe total et M) npour les 16
émergences ____________________________________________________________________ 84
II.3. 2C.onclusion ____________________________________________________________________ 86
II.4 . Diagramme semi-logarithmique de Schoeller-Berkalo_v_ _______________________ 87
II.4. 1.Description du diagramme _____________________________________________________ 87
II.4. 2R.ésultats et interprétation _____________________________________________________ 87
II.4.2 .1Gr.oupe des émergences avec de faibles concentratsio net ne possédant pas de couverture
triasique (sauf Ste Barbe) ___________________________________________________________ 88
II.4.2 .2Gr.oupe des émergences à fortes concentrations podssaént une couverture triasique (sauf
Ste Barbe) 91
II.4.2. 2E.m1e.rgence de Laval ___________________________________________________ 91
II.4.2. 2E.m2e.rgence de Fontanes ________________________________________________ 92
II.4.2. 2E.m3e.rgence de Silhol ___________________________________________________ 93
II.4. 3.Conclusion ____________________________________________________________________ 94
II.5 . Identification des faciès géochimiques (Diagramme Pdiper) ____________________ 95
II.5 .1D.escription du diagramme de Piper _____________________________________________ 95
II.5 .2R.ésultats et interprétations ____________________________________________________ 95
II.5. 2.G1ro.upe d’émergences avec couverture triasique (Lal,v aFontanes, Ste Barbe et Silhol) _ _ 97
II.5. 2.G2ro.upe d’émergences sans couverture triasique (Loan tFaine, Crouzette, Corniche,
Palmesalade, Chalmeton, TB Larrieux, Les Estéra,in gTsherond et Luminières) __________________ 97
II.5 .3Co.nclusion ____________________________________________________________________ 98
II.6 . Les évolutions spatiales ________________________________________________ 98
II.6. 1.Le fer _______________________________________________________________________ 99
II.6. 2L.es sulfates _________________________________________________________________ 10 1
II.6. 3.Le calcium __________________________________________________________________ 10 3
II.6. 4.Le sodium ___________________________________________________________________ 10 4
3

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