Comptes Rendus

Origine et évolution du soufre au sein de l'aquifère des Sables infra-molassiques du Bassin aquitain
[Origin and evolution of sulphur in the Infra-Molassic Sands Aquifer from the Aquitaine Basin]
Comptes Rendus. Géoscience, Volume 334 (2002) no. 10, pp. 749-756.


De nouvelles données de composition isotopique du soufre et de l'oxygène des sulfates dissous sont utilisées pour déterminer l'origine des ions sulfate (SO42−) dans les eaux de l'aquifère éocène des Sables infra-molassiques. Deux origines bien distinctes sont nettement mises en évidence : une première est la dissolution du gypse, présent au toit de l'aquifère, et la seconde l'oxydation de la pyrite, décrite au mur et au sein de l'unité. Les analyses isotopiques permettent d'identifier, en liaison avec l'hydrogéologie, différents sous-bassins géochimiques, dont les propriétés induisent des modifications de composition chimique. Elles mettent aussi en évidence les zones de bioréduction.

New data on isotopic composition of sulphur and oxygen in dissolved sulphates are used to determine the origin of sulphate ions (SO42−) in the water of the Infra-Molassic Sands Eocene aquifer. Two very distinct origins appear: one is the gypsum dissolution, from the molasse, and the second is the pyrite oxidation, present at the bottom of and within the aquifer. These isotopic analyses helped, in agreement with hydrogeology, to identify geochemical basins whose properties modify the chemical water composition. They also highlight the existence of bioreduction areas.

Published online:
DOI: 10.1016/S1631-0713(02)01814-X
Mot clés : Bassin aquitain, aquifère, isotopes, soufre, gypse, pyrite, France
Keywords: Aquitaine Basin, aquifer, isotopes, sulphur, gypsum, pyrite, France
Laurent André 1; Michel Franceschi 1; Pierre Pouchan 1; Olivier Atteia 1

1 Institut EGID, université Bordeaux-3, 1, allée Daguin, 33607 Pessac, France
     author = {Laurent Andr\'e and Michel Franceschi and Pierre Pouchan and Olivier Atteia},
     title = {Origine et \'evolution du soufre au sein de l'aquif\`ere des {Sables} infra-molassiques du {Bassin} aquitain},
     journal = {Comptes Rendus. G\'eoscience},
     pages = {749--756},
     publisher = {Elsevier},
     volume = {334},
     number = {10},
     year = {2002},
     doi = {10.1016/S1631-0713(02)01814-X},
     language = {fr},
AU  - Laurent André
AU  - Michel Franceschi
AU  - Pierre Pouchan
AU  - Olivier Atteia
TI  - Origine et évolution du soufre au sein de l'aquifère des Sables infra-molassiques du Bassin aquitain
JO  - Comptes Rendus. Géoscience
PY  - 2002
SP  - 749
EP  - 756
VL  - 334
IS  - 10
PB  - Elsevier
DO  - 10.1016/S1631-0713(02)01814-X
LA  - fr
ID  - CRGEOS_2002__334_10_749_0
ER  - 
%0 Journal Article
%A Laurent André
%A Michel Franceschi
%A Pierre Pouchan
%A Olivier Atteia
%T Origine et évolution du soufre au sein de l'aquifère des Sables infra-molassiques du Bassin aquitain
%J Comptes Rendus. Géoscience
%D 2002
%P 749-756
%V 334
%N 10
%I Elsevier
%R 10.1016/S1631-0713(02)01814-X
%G fr
%F CRGEOS_2002__334_10_749_0
Laurent André; Michel Franceschi; Pierre Pouchan; Olivier Atteia. Origine et évolution du soufre au sein de l'aquifère des Sables infra-molassiques du Bassin aquitain. Comptes Rendus. Géoscience, Volume 334 (2002) no. 10, pp. 749-756. doi : 10.1016/S1631-0713(02)01814-X. https://comptes-rendus.academie-sciences.fr/geoscience/articles/10.1016/S1631-0713(02)01814-X/

Version originale du texte intégral

Abridged version

1 Introduction

In the Aquitaine Basin, groundwater constitutes most of the water resources. The Infra-Molassic Sands Aquifer is used by several economical sectors, like drinking water, irrigation, thermal and hydrothermal and gas storage in the aquifer.

Different studies, especially in hydrogeology and geology, have been done to improve the aquifer management [6,12,18]. This work is an approach of the geochemistry aquifer behaviour and of its consistency with the geologic and hydrogeological data. Here, we focus on the sulphate concentration in the groundwater, which shows an important variability, with an augmentation in the flux direction. In particular, we will use (34S/32S) and (18O/16O) ratios of dissolved sulphate to determine the origin sulphur in solution.

2 Geographical and geological situation

The studied area is located in the southern part of the Aquitaine basin in southwestern France. It is limited to the south by the outcrops near Pau, to the north by the Barbotan area, where the aquifer reaches the ground surface, and to the west partly by the Audignon anticline.

This Eocene aquifer, composed by sandy Tertiary sediments, presents a high permeability and a thickness of several tenths of metres to a hundred metres. It is covered by molassic sediments, which form an aquiclude with low permeability and a thickness up to some hundred metres.

3 Results and interpretations

Isotope measures have been done on two samples of gypsum (Table 1) from molasse of the aquifer top. The obtained values (δ34S=+12.72‰ CDT and δ18O=+14.87‰ SMOW) are coherent with sulphate from evaporites, according to numerous authors [7,8].

Tableau 1

Composition isotopique en soufre 34 et oxygène 18 dans les sulfates dissous et dans l'hydrogène sulfuré et apports en sulfates des différentes sources, calculées selon le modèle.

Sulphur-34 and oxygen-18 isotopic composition in dissolved sulphates and in sulphur hydrogen and sulphate contribution of each source, computed according to the model.

Forages [SO42−] [H2S] δ34SSO4 δ18OSO4 δ34SH2S SO4 précipitation SO4 gypse SO4 pyrite
(mg L−1) (mg L−1) (‰ CDT) (‰ SMOW) (‰ CDT) (mg L−1) (mg L−1) (mg L−1)
1 Bordes 3 14,43 <LD 4,87 5,13 14,43 0,00 0,00
2 Blagnac 131,00 0,10 13,23 15,23 7,86 2,00 129,00 0,00
3 Lalbarède 58,38 0,02 13,06 17,23 10,78 2,00 56,38 0,00
4 Lectoure 651,80 <LD 12,23 16,13 2,00 649,80 0,00
5 Gondrin 27,67 <LD 11,56 15,40 2,00 25,67 0,00
6 Castéra-Verduzan 79,20 <LD 10,32 15,15 2,00 73,94 3,26
7 Garlin 4,12 0,13 20,40 12,85 −28,05 2,00 2,12 0,00
8 Dému 7,75 0,32 18,93 12,84 −16,33 2,00 5,75 0,00
9 Lamazère 25,90 <LD 17,50 14,93 2,00 23,90 0,00
10 Nogaro 2 10,01 0,45 8,76 12,61 −20,17 2,00 7,48 0,53
11 Pléhaut 51,98 <LD 9,76 15,28 2,00 47,07 2,91
12 EF1 4,40 <LD 35,80 14,30 2,00 2,40 0,00
13 ELB2 11,07 0,90 33,18 14,14 −10,55 2,00 9,07 0,00
14 LUG 47 19,61 0,08 −3,77 8,33
15 LUG 57 20,47 0,08 −3,21 9,19 −15,48 2,00 9,24 9,23
16 IZA 2 18,66 <LD −0,40 9,49
17 IZA 4 19,67 <LD −1,98 10,69
18 IZA 5 14,68 0,49 −1,63 9,11 −24,05 2,00 6,91 5,77
19 Geaune 2 16,05 <LD −3,20 8,30 2,00 6,91 7,14
20 Lotus 2 53,47 0,03 −15,80 3,95 −32,25 2,00 5,49 45,98
21 B 102 40,01 0,08 −20,12 4,41 4,28 2,00 0,00 38,01
Gypse (Pléhaut) 11,87 15,87
Gypse (Beaucaire) 13,57 13,87

The δ34S from dissolved sulphates allows proposing four zones (Fig. 1):

  • – near the Pyrenees, in the outcrop zone, the measured values are close to those of dissolved sulphates in precipitation [14];
  • – in zone B, from the Montagne Noire to the centre of the basin, values are close to those measured in gypsum from molasse; we will note some values slightly more important on some points (7 to 9), located in the southern part of the basin;
  • – in zone C, having a SW–NE direction, δ34S values are negative, with a diminution from the south to the north, whereas δ18O variations follow the same evolution;
  • – in zone D, at the limit of the aquifer, we can observe a strong enrichment in δ34S (more than+30‰ CDT).

Figure 1

Représentation géographique des résultats isotopiques obtenus sur le soufre 34.

Geographic representation of isotopic results on sulphur-34.

4 Origin of dissolved sulphates

These variations give some clues on the origin of dissolved sulphates.

Values at the outcrops confirm that a part of sulphur composition comes from precipitation and that some mixes occur with unconfined aquifer.

To the North and to the East, sulphates seem to come from gypsum dissolution. The water age and the replacement rate of the aquifer confirm the absence of soluble mineral in the matrix. So, the isotope signature suggests the need to take into consideration exchanges with aquitards. Gypsum has been described by many authors at the aquifer top [2,4]. A progressive and continuous transfer of mineralised solution from the molasse to the aquifer could be the origin of the variations of sulphate concentration. The vertical transfers, by leakage and/or diffusion processes, are consistent with hydrogeological data: the topographic layer is behind the piezometric layer, inducing transport of matter from the bottom aquitard to the aquifer.

To the west, δ34S values are negative and here, we can suppose that dissolved sulphates come from reduced sulphur compounds, like pyrite. The existence of this sector seems to be connected with a sub-basin, submitted during Eocene to particular sedimentation conditions, and containing organic matter, observed in different wells.

In the last zone, the high values of δ34S seem to be the consequence of local bioreduction processes. Moreover, these values are in agreement with H2S contents higher than those measured in other groundwaters and lower redox potentials.

5 Modelling

All groundwaters have the same origin, but the chemical composition acquisition seems to be different, depending on the considered sector. For each sampled water, we have described the possible origin of sulphate in solution. A model have been established, based on δ34S values, in which we show that sulphur in solution could come from three origins, which are meteoric waters, gypsum dissolution and reduced sulphur compounds. This model allows quantifying the proportion of each process.

It leans on the δ34S balance equation, which gives the relative importance of the three processes. It has been validated by the δ18O values.

In this step, we confirm that sulphur composition of some waters originate only from gypsum dissolution. For others waters, some sulphur seems to come from reduced sulphur compounds according to two processes: oxidation with water oxygen and/or dissolved oxygen. It seems, according to modelling results, that a proportion of 50% of each process conducts to a satisfying consistency between computed and measured values.

This model is consistent with mineralogical and geologic data and also with hydrogeological data.

In conclusion, isotope tracing of different species of sulphur permits to propose new hypotheses about the behaviour and the flux of the Infra-Molassic Sands Aquifer. Four geochemical basins have been identified, each of them showing a different process affecting sulphate.

The North and the East of the Basin present relatively high sulphate concentrations; the stability of δ34S values, in this zone, confirms a gypsum origin. This hypothesis highlights the leakage process that may happen between aquitard and aquifer.

To the west, negative δ34S values seem to indicate the existence of a sub-basin, isolated from the precedent. The sulphate concentration variation seems to be linked to pyrite or other sulphur compounds oxidation.

We can finally note that bioreduction processes affect the sulphate composition of waters.

1 Introduction

En Aquitaine occidentale, les eaux souterraines représentent une ressource en eau importante. Ceci est particulièrement le cas pour l'aquifère éocène dit des « Sables infra-molassiques », utilisé à la fois pour l'eau potable, l'irrigation, la géothermie et le stockage de gaz en nappe. Actuellement, en vue d'une gestion plus rigoureuse, de nombreuses études, tant géologiques qu'hydrogéologiques, sont menées sur ces aquifères [6,12,18].

Ce travail rend compte d'une approche géochimique du fonctionnement de la nappe aquifère et de la mise en concordance de ces investigations avec les données géologiques et hydrogéologiques. Les variations spatiales de nombreuses espèces ont été étudiées ; il s'avère que les concentrations en ions sulfate montrent, au sein de la nappe des Sables infra-molassiques d'Aquitaine, une grande variabilité, avec des valeurs comprises entre 10 et 75 mg L−1 au sud de la zone et entre 50 et 650 mg L−1 au nord. L'augmentation suit les sens d'écoulement.

On se propose de montrer ici que les rapports d'abondance entre les isotopes du soufre (34S/32S) couplés à ceux de l'oxygène (18O/16O) des sulfates en solution permettent d'attribuer l'origine du soufre à :

  • – des phénomènes de drainance descendante, à partir de l'éponte supérieure molassique et capacitive, pour une partie de l'aquifère ;
  • – une oxydation chimique de la pyrite, au sein de l'aquifère transmissif, pour une autre partie.

À ces phénomènes se superpose une bioréduction des sulfates dissous, plus ou moins intense selon les secteurs de la nappe considérés.

2 Site d'étude et méthodologie

2.1 Situation géographique et géologique

La nappe étudiée, située dans le Sud-Ouest de la France, est limitée, au sud, par les affleurements des Sables de Baliros, près de Pau, au nord, par la structure de Barbotan, où l'aquifère recoupe la surface, à l'est, par la Montagne noire et, à l'ouest, par la ride d'Audignon (Fig. 1).

L'aquifère des Sables infra-molassiques est surmonté d'une éponte molassique (s.l.) tertiaire qui forme un aquiclude à faible perméabilité et d'épaisseur parfois supérieure à plusieurs centaines de mètres. Les sables éocènes, d'une épaisseur de quelques dizaines à parfois une centaine de mètres, présentent une forte perméabilité ; leur profondeur varie en fonction des topographies souterraines.

L'eau de la nappe des Sables infra-molassiques s'écoule, d'une part, des affleurements au sud de Pau vers la structure d'Audignon (le long d'un axe SE–NW) et, d'autre part, selon un axe parallèle à la Garonne, vers le système nord-aquitain (Fig. 1).

2.2 Méthodes

Les prélèvements d'échantillons d'eau sur 21 forages ont été effectués au cours d'une campagne qui a eu lieu de mars à avril 2000. Les concentrations en éléments majeurs ont été déterminées par chromatographie ionique. Les paramètres sensibles, tels que la température, la conductivité, le pH, Eh, l'alcalinité, la concentration des formes réduites du soufre en solution ont été mesurés sur le terrain [1].

La composition isotopique en sulfate dissous est obtenue sur précipité de BaSO4, après filtration à 0,45 μm et précipitation en milieu acide. Pour les eaux sulfurées, un prélèvement sur acétate de zinc a été réalisé. Des cristaux de gypse, provenant de déblais de deux forages, au toit de l'aquifère, ont été également analysés.

Les analyses isotopiques ont été réalisées au laboratoire des isotopes de l'environnement (université de Waterloo au Canada). Les résultats sont présentés dans le Tableau 1, selon la notation classique : δ18OSO4 (‰ SMOW) pour l'oxygène et δ34S (‰ CDT) pour le soufre.

3 Résultats et interprétation

3.1 Variations régionales de δ34S

La valeur moyenne de δ34S mesurée sur deux échantillons (Tableau 1), dans le gypse issu de l'éponte au toit de l'aquifère, est de 12,72‰ CDT. Cette valeur est en accord avec celles citées par plusieurs auteurs pour les évaporites de sulfate [7,8]. La valeur moyenne de δ18OSO4, sur ces deux mêmes échantillons, est de 14,87‰ SMOW.

Les valeurs de δ34S déterminées dans les sulfates des eaux nous permettent de proposer quatre zones (Fig. 1) :

  • – une zone A, située en bordure des Pyrénées, dans la zone d'affleurement de l'aquifère (point n° 1), la valeur de δ34S est proche des valeurs rencontrées pour les sulfates dissous dans les précipitations (+3,2<δ34S<+8,2‰ CDT [14]) ; la valeur de δ18OSO4 est légèrement inférieure aux valeurs admises dans les précipitations (+9<δ18OSO4<+13,34‰ SMOW [20]) et est probablement due à des mélanges entre la nappe captive et la nappe alluviale située à proximité [15] ;
  • – une zone B, qui s'étend des affleurements de la Montagne noire, à l'est, jusqu'au centre du bassin ; les valeurs de δ34S et δ18OSO4 sont proches des valeurs mesurées dans les cristaux de gypse présents dans la molasse ; aux points nos 7 à 9, on note des valeurs de δ34S sensiblement plus élevées (comprises entre 17,5 et 20,4‰ CDT) ; ces points sont situés dans une partie plus méridionale du bassin et pourraient s'expliquer par une légère bioréduction ;
  • – une zone C, de forme allongée et de direction SW–NE ; δ34S présente ici des valeurs négatives à très négatives (de −0,4 à −20,1‰ CDT), avec un appauvrissement du sud vers le nord ; les valeurs de δ18OSO4 suivent la même variation, avec un appauvrissement le long du même axe ; ces valeurs traduisent une origine très différente des sulfates dissous par rapport à la zone B, qui serait le siège d'une oxydation de composés sulfurés ;
  • – une zone D (à l'ouest), le long de la « terminaison » de l'aquifère, où l'on observe des enrichissements importants en soufre 34 (δ34S>33‰ CDT) ; cet enrichissement pourrait s'expliquer par un phénomène de bioréduction, qui affecterait alors les eaux de la partie occidentale du bassin.

3.2 Origine des sulfates dissous

Les teneurs en isotopes (δ34S et δ18O) issus des sulfates dissous mettent en évidence l'existence de quatre sous-bassins géochimiques distincts.

À proximité des affleurements, les eaux sont marquées par du tritium (11 UT en 1992 [3]) ; les valeurs de δ34S sont comparables aux moyennes mesurées dans les précipitations et sont cohérentes avec celles mesurées dans la partie ouest de l'Aquitaine [5].

À l'est et au nord, les sulfates dissous semblent provenir de la dissolution du gypse ; les données des isotopes de l'environnement (18O, 2H, 13C, 14C) disponibles sur la zone d'étude montrent bien une origine météorique des eaux et des temps de résidence calculés qui ne dépassent pas 30 000 ans [3].

Dans ces conditions, on peut admettre que le taux de renouvellement de l'aquifère est important. Les minéraux solubles de l'aquifère (type gypse ou anhydrite), susceptibles d'apporter des sulfates en solution, ont été dissous et balayés. Les analyses minéralogiques réalisées sur des phases solides de l'aquifère confirment que l'ensemble des sédiments de la partie transmissive de l'aquifère a largement été lessivé depuis son dépôt. Cependant, une abondance de gypse a été décrite au toit de l'aquifère par plusieurs auteurs [2,4] : un relargage progressif et continu de solutions minéralisées issues de la drainance des épontes argileuses ou argilo-sableuses, à caractère très capacitif, pourrait être à l'origine des teneurs en sulfate. Ce phénomène de drainance est confirmé par les données hydrogéologiques : la surface topographique étant située au-dessus de la surface piézométrique de la nappe, des transferts verticaux, de la surface vers l'aquifère, sont susceptibles de survenir et d'apporter de la matière dans la nappe.

Certaines valeurs de δ34S sont légèrement supérieures aux valeurs moyennes mesurées dans le gypse (points 7 à 9). Des phénomènes locaux de bioréduction semblent en être à l'origine. Le coefficient de fractionnement α entre les sulfates et les sulfures a été déterminé pour les forages 7 et 8 (pour le point 9, le taux de sulfures s'est avéré trop faible pour être quantifié). Les valeurs de α pour les points 7 et 8 sont respectivement 1,044 et 1,032, coefficients très proches de 1,040, valeur communément admise dans le cas d'une réduction par les bactéries Desulfovibrio desulfuricans [11].

À l'ouest, comme dans le secteur précédent, les eaux ont la même origine météorique. Cependant, les valeurs de δ34S mesurées semblent indiquer que le sulfate en solution pourrait provenir de l'oxydation de composés soufrés réduits (tels que la pyrite) [11]. Cette zone est à corréler à l'existence probable d'un sous-bassin naturel, marqué par des conditions de dépôt de sédiments à dynamique d'évolution particulière (lagunes, zones palustres, etc.), en présence de matière organique. Ce processus est conforté par les descriptions de coupes géologiques de forage, sur lesquelles on peut noter la présence abondante de sulfure de fer, au mur et au sein de l'aquifère, ce qui n'est pas le cas dans les zones A et B.

En bordure de ce « sous-bassin naturel », les eaux des forages nos 12 et 13 (région d'Eugénie-les-Bains), qui présentent de fortes teneurs en soufre 34 pour les sulfates dissous, semblent indiquer d'importants processus locaux de bioréduction [13,16]. Le coefficient de fractionnement α=1,040 confirme ce phénomène. Il est à noter que ces valeurs, singulières par rapport aux valeurs mesurées dans les autres eaux, sont à mettre en parallèle avec des concentrations fortes en soufre réduit ([ΣH2S]=0,8 mg L−1) et des potentiels d'oxydo-réduction faibles.

3.3 Modèle de mélange

L'ensemble des eaux étudiées possède des origines similaires, mais l'acquisition de leur composition chimique semble se faire selon différents processus, en fonction du secteur de la nappe envisagé. D'après les valeurs de δ34S mesurées, la minéralisation en sulfate provient majoritairement de trois origines :

  • – minéralisation originelle issue des eaux de recharge, météoriques ;
  • – minéralisation issue du drainage de la molasse contenant du gypse ;
  • – minéralisation par oxydation de composés sulfurés intra-aquifère.

Nous avons élaboré un modèle visant à montrer que les valeurs en δ34S des sulfates dissous pouvaient être calculées à partir d'une superposition de ces trois processus. Ce modèle permet ainsi de quantifier leur importance relative en un point donné.

L'équation de bilan s'écrit (Éq. (1)) :

n SO 4 eau =n SO 4+n SO 4 dissolution du gypse +n SO 4 oxydation de la pyrite (1)
avec nSO4 eau le nombre de moles de sulfate dans l'eau, nSO4 précipitation, le nombre de moles de sulfate apporté par les eaux météoriques – en raison de l'âge des eaux, la valeur moyenne de 2 mg L−1 a été retenue, concentration moyenne des pluies avant l'ère industrielle [17] –, nSO4 dissolution du gypse le nombre de moles de sulfate issu de la dissolution du gypse, nSO4 oxydation de la pyrite le nombre de moles de sulfate issu de l'oxydation de la pyrite.

La signature isotopique δ34S des sulfates dissous doit refléter ces trois origines, ce qui se traduit (en considérant comme nuls les fractionnements isotopiques lors de la mise en solution) par :

δ34S SO 4 dissous =Xδ34S pr é cipitations +Yδ34S dissolutiondugypse +Zδ34S oxydationdelapyrite (2)
avec X+Y+Z=1.

X est la proportion de sulfate issu des eaux de recharge (X=nSO4 précipitation/nSO4 eau), Y la proportion de sulfate issu de la dissolution de gypse, Z la proportion de sulfate issu de l'oxydation de la pyrite, δ34Sprécipitation la teneur moyenne isotopique des sulfates dissous dans les précipitations. La valeur de +5‰ CDT a été retenue, car elle correspond à la valeur mesurée au point n° 1 (près des affleurements) et est en accord avec la littérature [14]. δ34Sgypse est la valeur mesurée sur les échantillons de gypse analysés (+12,72‰ CDT). δ34Spyrite n'a pas pu être mesuré et une valeur moyenne, issue de la littérature, a été retenue (−20‰ CDT) [9,11].

À partir des Éqs. (1) et (2), les proportions relatives des trois origines possibles de soufre en solution ont pu être établies (Tableau 1).

Ces résultats montrent que les origines du soufre varient très nettement : au forage de Blagnac (n° 2), 100 % des sulfates en solution proviendraient du gypse, alors que 100 % des sulfates dissous du forage B102 de Barbotan (n° 21) seraient issus de composés sulfurés. Pour le forage de Bordes (n° 1), situé à proximité immédiate des affleurements, nous considèrerons que la totalité des ions sulfate proviennent des précipitations, bien que des mélanges d'eaux avec l'aquifère alluvial interviennent [15].

Pour valider les proportions relatives de chaque processus, nous avons utilisé les teneurs en δ18OSO4 des sulfates dissous. Le même type d'équation de bilan peut être proposé (Éq. (3)) :

δ18O SO 4 dissous =Xδ18O SO 4 pr é cipitations +Yδ18O dissolutiondugypse +Zδ18O oxydationdelapyrite (3)
X, Y et Z représentent les proportions calculées à partir de δ34S (Éq. (2)), δ18OSO4 précipitations est la teneur en oxygène 18 des sulfates dissous dans les précipitations (+12,72‰ SMOW) [20], δ18Ogypse est la valeur mesurée sur les sulfates des échantillons de gypse analysés (+15,8‰ SMOW).

Les sulfates issus de l'oxydation de la pyrite proviennent de deux types de réactions : oxydation par l'oxygène de l'eau et/ou par de l'oxygène dissous [21].

δ18O oxydationdelapyrite =β(δ18O eau +ϵ eau )+(1-β)(δ18OO2+ϵO2)(4)
δ18Ooxydation de la pyrite est la composition en oxygène 18 du sulfate produit par oxydation de la pyrite, β la fraction de sulfate provenant de l'oxydation de la pyrite par l'eau (étant donné que nous ne disposons pas de référence quant au processus principal, une proportion de 50 % de chacun des deux processus sera retenue), εeau et εO2 sont les coefficients d'enrichissement cinétique au cours de l'incorporation de l'oxygène dans le sulfate, respectivement pour 18O de l'eau et 18O de l'oxygène dissous (εeau=+4,1‰ et εO2=−11,2‰) [19] et δ18OO2 est la composition atmosphérique en oxygène 18 (+23,5‰ SMOW) [10].

La comparaison entre les valeurs de δ18O mesuré sur les sulfates dissous et de δ18O calculé à l'aide des Éqs. (3) et (4) est présentée sur la Fig. 2.

Figure 2

Comparaison entre δ18O mesuré sur les sulfates dissous et δ18O calculé à partir des δ34S. Les points sont obtenus avec β=0,5. Les barres d'erreur correspondent à des variations de β entre 0 et 1.

Comparison between δ18O measured on dissolved sulphates and δ18O computed from δ34S values. Points are obtained with β=0.5. The error bars show a 0 to 1 β interval.

Le modèle, correspondant à un mélange d'espèces du soufre issues de différents processus, semble à même de décrire les différences observées dans la composition isotopique du sulfate dissous dans l'ensemble des eaux de la nappe. Il permet de confirmer l'origine commune des eaux et l'évolution de leur composition chimique, en utilisant deux sources de minéralisation :

  • – l'éponte, constituée de molasse sablo-argileuse, qui libère graduellement des sulfates, issus de la dissolution du gypse, dans l'aquifère ;
  • – l'aquifère, sableux, dans lequel se produit l'oxydation chimique des composés sulfurés, quand ils existent.

Ce modèle géochimique proposé est cohérent avec les données géologiques et minéralogiques, mais aussi avec les données hydrogéologiques.

4 Conclusion

Le marquage isotopique des différentes espèces du soufre nous a permis de présenter de nouvelles hypothèses de comportement et d'écoulement de la nappe des Sables infra-molassiques. Ainsi, quatre principaux sous-bassins géochimiques peuvent être définis. Pour chacun d'entre eux, un processus géochimique différent semble affecter le sulfate.

La partie orientale et méridionale du bassin présente des concentrations en sulfate relativement élevées. La constance des teneurs isotopiques en soufre 34 sur l'ensemble de la zone conforte l'hypothèse selon laquelle les sulfates proviennent bien de la dissolution de gypse contenu dans l'éponte supérieure. Cette hypothèse permet de mettre en évidence les phénomènes de drainance qui sont susceptibles de se produire de l'éponte vers l'aquifère.

À l'ouest de cette zone, un sous-bassin, présentant des valeurs de δ34S négatives, semble relativement isolé du précédent. L'augmentation de la concentration en sulfate semble liée à la mise en solution de composés sulfurés, présents au sein et au mur de l'aquifère, dans cette zone.

Enfin, dans une dernière zone, relativement restreinte, des phénomènes de bioréduction semblent affecter les sulfates. Les valeurs isotopiques trouvées, corrélées à des concentrations élevées en espèces réduites du soufre, mettent en évidence le caractère particulier de cette zone.


Cette étude a pu être réalisée grâce au concours de TotalFinaElf Stockage Gaz France.


[1] W. Back Preliminary results of a study of calcium carbonate saturation of ground water in Central Florida, International Association of Scientific Hydrology, VIIIe Année, n° 3, 1963, pp. 43-51

[2] F. Bea; M. Kieken Les évaporites dans les formations tertiaires de l'Aquitaine méridionale, Bull. Centre Rech. Elf-Aquitaine Pau, Volume 5 (1971) no. 2, pp. 399-404

[3] B. Blavoux; M. Dray; A. Fehri; P. Olive; J.-P. Hauquin; G. Pélissier; P. Pouchan Palaeoclimatic and hydrodynamic approach to the Aquitaine Basin deep aquifer (France) by means of environmental isotopes and noble gases, International Atomic Energy Agency, Vienna, 1993 (pp. 293–305)

[4] Atlas géologique du Bassin aquitain, 1974 (BRGM, Elf-RE, Esso-REP, SNPA)

[5] Ressources thermominérales du Bas-Adour, 1998 (BRGM rapport R 40047)

[6] C. Cavelier; G. Fries; J.-L. Lagarigue; J.-P. Capdeville Sédimentation progradante au Cénozoı̈que inférieur en Aquitaine méridionale : un modèle, Géologie de la France, Volume 4 (1997), pp. 69-79

[7] G. Claypool; W. Holser; I. Kaplan; H. Sakai; I. Zak The age curves of sulfur and oxygen isotopes in marine sulfate and their mutual interpretation, Chem. Geol., Volume 28 (1980), pp. 199-260

[8] P. Fritz; A. Lapcevic; M. Miles; S.K. Frape; D.E. Lawson; K.J. O'Shea Stable isotopes in sulphate minerals from the Salina formation in southwestern Ontario, Can. J. Earth Sci., Volume 25 (1988), pp. 195-205

[9] W. Holser; I. Kaplan Isotope geochemistry of sedimentary sulfates, Chem. Geol., Volume 1 (1966), pp. 93-135

[10] P.M. Kroopnick; H. Craig Atmospheric oxygen: isotopic composition and solubility fractionation, Science, Volume 175 (1972), pp. 54-55

[11] H. Krouse Sulphur isotopes in our environment (P. Fritz; J.-C. Fontes, eds.), Handbook of Environmental Isotopes. Geochemistry, 1980, pp. 435-471

[12] N. Labat Rôle de particularités sédimentaires et structurales sur le comportement de l'aquifère des sables sous-molassiques soumis aux fluctuations induites par des stockages souterrains de gaz. Application à l'étude de leur influence sur l'hydrodynamisme des émergences locales, thèse, université Bordeaux-3, 1998 (224 p)

[13] Y. Mizutani; T. Rafter Oxygen isotopic composition of sulphates. Part 4. Bacterial fractionation of oxygen isotopes in the reduction of suphate and in oxydation of sulphur, N. Z. J. Sci., Volume 12 (1969), pp. 60-68

[14] F. Pearson; C. Rightmire Sulphur and oxygen isotopes in aqueous sulphur compounds (P. Fritz; J.-C. Fontes, eds.), Handbook of Environmental Isotopes. Geochemistry, 1980, pp. 227-258

[15] G. Pélissier-Hermitte; M. Franceschi; J. Chéron; A. Dupuy Contamination azotée d'une nappe captive après drainance d'une nappe libre. Mécanismes et évolution, ESRA 2000, Colloque international, Poitiers, 13 15 septembre 2000 , p. S211-S214

[16] T. Rafter; Y. Mizutani Oxygen isotopic composition of sulphates. Part 2. Preliminary results on oxygen isotopic variation in sulphates and the relationship to their environment and to their δ34S values, N. Z. J. Sci., Volume 10 (1967), pp. 816-840

[17] H. Schoeller Géochimie des eaux souterraines, 1956 (pp. 330–350)

[18] O. Serrano; F. Guillocheau; E. Leroy Évolution du bassin compressif Nord-Pyrénéen au Paléogène (bassin de l'Adour) ; contraintes stratigraphiques, C. R. Acad. Sci. Paris, Ser. IIa, Volume 332 (2001) no. 1, pp. 37-44

[19] B.E. Taylor; M.C. Wheeler; D.K. Nordstrom Isotope composition of sulphate in acid mine drainage as measure of bacterial oxidation, Nature, Volume 308 (1984) no. 5, pp. 538-541

[20] A. Trembaczowski; S. Halas Oxygen and sulfur isotope ratios in sulphate from atmospheric precipitations, Proc. Int. Symp. ‘Isotope Hydrology in water resources development’, IAEA, Vienna, 1984, pp. 819-820

[21] R.O. Van Everdingen Isotope composition of sulphate by bacterial and abiological oxidation, Nature, Volume 315 (1985) no. 30, pp. 395-396

Comments - Policy

Articles of potential interest

Origine du soufre associé aux minéralisations Pb-Zn de type Mississippi Valley de la chaîne des Beni Snassen orientaux (Maroc nord-oriental)

Mohammed Bouabdellah; Lahbib Boudchiche; Benali Ouahhabi; ...

C. R. Géos (2008)

Ennoyage des mines de fer lorraines : impact sur la qualité de l'eau

Pauline Collon; Robert Fabriol; Michel Buès

C. R. Géos (2004)

Salinisation des nappes côtières : cas de la nappe nord du Sahel de Sfax, Tunisie

Rouaida Trabelsi; Moncef Zaïri; Habib Smida; ...

C. R. Géos (2005)