Une telle eau, mise en présence d'acide sulfurique (résultant de l'oxydation des pyrites), s'enrichira en sulfate ferreux, bicarbonate ferreux et sulfate de sodium.
Ces deux exemples montrent une des caractéristiques fréquentes des eaux souterraines qui est leur forte teneur en fer.
Certaines roches, telles les zéolithes, sont douées de propriétés d'échange d'ions. Une eau chargée en sels de calcium, mise en contact avec des roches zéolithiques échangera ses ions Ca⁺⁺ contre des ions Na⁺
On comprend donc pourquoi on peut, dans un même lieu, suivant le trajet de l'eau dans le sous-sol, avoir des types d'eau différents.

L'INFILTRATION DES EAUX.

Le volume des eaux qui s'infiltrent dans le sol dépend, évidemment de l'abondance des précipitations, mais, tout aussi évidemment de la texture du sous-sol.
Généralement, les roches ne sont pas absolument compactes mais présentent des pores ou des fissures. Les roches présentent donc une faculté plus ou moins grande à se laisser pénétrer par l'eau.

• La perméabilité est la propriété que possède le sol de laisser passer l'eau à travers ses fissures ou ses pores.
• La porosité est le rapport du volume des vides d'une roche à son volume total....

On peut diviser les terrains, du point de vue hydrogéologique en deux grandes catégories :

• les terrains imperméables
• les terrains perméables

Les terrains totalement imperméables sont pratiquement uniquement constitués par l'argile. Encore faut-il qu'elle soit suffisamment comprimée. Ce type de terrain peut s'imprégner d'eau (jusqu'à 50% de porosité), mais la finesse des particules d'argile ne permet pas la circulation de cette eau.
Les limons présentent des propriétés voisines de l'argile.
Les marnes sont également imperméables mais peuvent présenter des fissurations permettant la pénétration de l'eau dans les couches sous-jacentes.

Les terrains perméables se subdivisent à leur tour en deux types :

•  Terrains perméables en grand, qui sont constitués de roches compactes, mais présentant des fissures par lesquelles l'eau peut circuler. Ces fissures peuvent être étroites comme dans les roches métamorphiques ou éruptives. Elles portent alors le nom de lithoclases. Le massif armoricain est un bon exemple de ce type de terrain. Lorsque les fissures sont larges, elles portent le nom de diaclases. Ce type de terrain est le calcaire, dans lequel l'eau chargée de CO2 (gaz carbonique) dissout la roche et agrandit les failles. On y rencontre fréquemment de véritables rivières souterraines.
  Aux terrains calcaires, se regroupent dans ce type, les craies, quelquefois les marnes nous l'avons vu, et rarement les grès.
• Terrains perméables en petit, qui sont constitués par des roches à porosité élevée.
  Ce sont essentiellement les sables (porosité de 30 à 50%) et les grès (porosité de 10 à 20%).
  Si de tels terrains se superposent à une couche imperméable, ils se gorgent d'eau à la façon d'une éponge constituant ainsi une nappe aquifère. Les terrains perméables en petit peuvent être également pénétrés par l'eau des rivières quand ils en constituent les berges, il se forme alors une nappe alluviale dont le sens de circulation de l'eau est parallèle au cours d'eau.
  

NAPPES.
Selon la profondeur à laquelle s'établit la nappe (altitude du substratum imperméable), les nappes aquifères ainsi formées sont le siège d'une vie aérobie ou anaérobie qui minéralise les matières organiques.
Dans une nappe aquifère, l'eau circule très lentement et tend à s'écouler vers certains points où elle peut apparaître en surface, formant des sources.
Une nappe aquifère idéale se présente ainsi :

h étant le niveau d'une rivière de vallée (ou la mer), l'eau de pluie pénètre jusqu'au niveau h H. La pente h H est d'autant plus grande qu'elle est plus éloignée de la mer, puis devient horizontale.
Entre h H et la couche imperméable h H' se situe la nappe aquifère dans laquelle les roches sont imprégnées d'eau à un tel point que la porosité est annulée. Dans cette zone, l'eau circule.
La surface h H est définie par le rapport du débit d'alimentation au débit d'écoulement. Ces débits sont évidemment variables dans le temps. L'alimentation de la nappe dépend surtout de la pluviosité, du climat et de la végétation.
La vitesse d'écoulement dépend de la porosité du sol, moins tassé en surface, il permet un écoulement plus facile.
En conséquence, la ligne h H épouse, en l'atténuant, le relief du sol de surface. Cette ligne peut subir des variations en altitude en raison de la variation du rapport débit d'alimentation/débit d'écoulement.
On appelle cette ligne niveau hydrostatique ou surface piezométrique.
La variation du niveau hydrostatique explique pourquoi certaines sources tarissent en saison sèche. Elle permet aussi de comprendre pourquoi l'on s'efforce, lors du forage d'un puits, d'atteindre la couche imperméable.
Une nappe telle que décrite ci-dessus est une nappe libre.

Si, à partir de son affleurement, la couche perméable plonge sous une couche imperméable, cette dernière forme un toit au-dessus de la nappe qu'il maintient en pression,
la nappe est dite alors captive.
Si cette pression est suffisante, elle permet à l'eau de jaillir au-dessus du niveau du sol lorsque l'on fore un puits dans le toit. Ce puits prend alors le nom de puits artésien (de l'Artois où ce genre de nappe est fréquent).
En surface (au-dessus de la ligne h H), se trouve une autre nappe dite phréatique ou des puits. Elle est toujours libre.
Le cas que nous avons considéré est, nous l'avons dit, idéal en ce sens que la couche imperméable est constituée par un sol parfaitement horizontal (ligne h H'). Pratiquement, le sous-sol a une structure beaucoup plus complexe et tourmentée.
La forme de la nappe (niveau h H) est alors déterminée par la forme de la couche imperméable. De plus, l'alternance de couches perméables et imperméables peut déterminer, à chaque fois, une nouvelle nappe aquifère.
Ce schéma peut encore être compliqué par la présence de failles, plissements et dislocations qui peuvent canaliser ou compartimenter l'eau de la nappe. C'est pourquoi il est important, en hydrogéologie, de bien connaître la tectonique du sous-sol, c'est-à-dire sa structure.

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SOURCES.
On peut distinguer les sources vraies et les fausses sources.

Les fausses sources sont des émergences d'eau en terrain calcaire.
Elles peuvent être :

• Résurgentes, quand il s'agit du retour en surface d'une rivière engouffrée. Le type de ces sources est constitué par la fontaine de Vaucluse ; d'où le nom de sources vauclusiennes qu'on leur donne parfois,
• Exurgentes, quand il s'agit de la sortie d'une eau formée dans le sol à la suite de condensations internes.

Les vraies sources qui sont issues de terrains perméables en petit.

• Les sources filoniennes proviennent des nappes captives très profondes qui remontent en surface à travers une diaclase (filon) de grande longueur.
• Les sources d'affleurement ou de déversement sont provoquées par l'affleurement de la couche perméable avec la surface topographique.
  
  
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PROPRIÉTÉS SPÉCIFIQUES DES EAUX SOUTERRAINES.

En dehors des nappes phréatiques évidemment très exposées aux pollutions, les eaux profondes présentent généralement une bonne qualité du point de vue bactériologique.
Il convient toutefois de se méfier de certaines eaux souterraines qui circulent en terrain karstique. Ces terrains, perméables en grand, présentent des fissures agrandies par le passage des eaux.
La dissolution des roches calcaires par le gaz carbonique de l'eau a crée des grottes et des siphons (provoquant le phénomène des sources intermittentes).
Dans ces grottes, le bicarbonate de calcium - Ca (HCO₃)₂ - dissout dans l'eau se décompose au contact de l'air :

Il y a donc formation de carbonate de calcium (lien > CaCO3 ), de gaz carbonique (lien > CO2 ) et d'eau.
Le CaCO3 cristallise et forme stalactites et stalagmites*, tandis que le CO2 stagne au ras du sol en raison de sa densité supérieure à celle de l'air. Ce CO2 n'est pas toujours sans danger : la Grotte du Chien à Royat (à 3 km de Clermont-Ferrand) et surtout le lac Nyos (Cameroun).
*Rappel : stalactites = colonne de calcaire descendant vers le sol - stalagmites = colonne montante formée par dépot de calcaire.

L'eau circulant à la façon d'une rivière ne subit aucune filtration. De plus, des cratères (abîmes, avens, gouffres, betoires selon les régions) mettent l'eau en communication avec la surface. Ces cratères constituent souvent des lieux où les hommes déversent leurs déchets. Ce type d'eau est donc très mauvais bactériologiquement parlant, et constitue très souvent un vecteur d'épidémies privilégié.

Notes :
Lorsque les carbonates (stalactites,coraux, coquilles de molusques, calcites déposée sur les parois d'une grotte) se forment dans l'eau, ils fixent notamment l'uranium 238 que celle-ci contient. par ailleurs, cet uranium se désintègre pour former du thorium 230. En mesurant la quantité d'uranium 238 et de thorium 230 dans les carbonates, les chercheurs peuvent donc en connaître l'age (datation d'une centaine d'années à - 350 000 ans).
Autre méthode de datation des carbonates, la RPE (résonance paramagnétique électronique) : les minéraux stockent dans les défauts de leur réseau cristallin, l'énergie émise par la radioactivité naturelle . Cette dernière peut ensuite être libérée si l'on expose, en laboratoire, le matériau à un champ magnétique intense. La quantité d'énergie alors émise renseigne sur l'age de formation de ce minéral (de -10 000 ans à - 1 millions d'années).
(n'en plaise à certains créationnistes "Jeune-Terre", qui croient que la Terre à environ 6000 ans...dont qqs% en France !).

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En dépit de la variété de leur composition, les eaux souterraines peuvent très généralement être classées en :

• Eaux calcaires :
  Elles renferment surtout des bicarbonates de calcium et magnésium dissous formés par l'action du CO2 sur les calcaires. Ces eaux sont souvent incrustantes. Lorsqu'elles perdent assez de CO2 au contact de l'air pour que CaCO3 précipite, elles sont dites pétrifiantes (Massif Central, France).
  
  > Sources pétrifiantes de Mammoth Hot Spring :

• Eaux acides : au contraire des eaux calcaires, les eaux acides proviennent de gîtes granitiques où leur CO2 n'a pu être neutralisé. Leur minéralisation est très faible et leur pH souvent inférieur à 6. Ces eaux sont agressives et souvent corrosives (vis-à-vis des métaux).
  
• Eaux séléniteuses : elles sont chargées en CaSO4 (sulfate de calcium - masse atomique : 136 > plus de 50 mg/l). Comme les eaux calcaires, elles rendent difficile la cuisson des légumes et nuisent au savonnage. Si la teneur en sulfate de calcium est élevée, l'eau devient indigeste.

Nota : la seule source ancienne à Paris encore en service, est celle de la fontaine du square Lamartine à Passy, dans le XVI^ème (de l'ingénieur Charles G.Kind, et vidéo), eau à forte teneur en sulfate de calcium et de fer.

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Aperçu sur les eaux dites minérales.
Les eaux minérales sont consommées en telle quantité, en France, qu'il semble utile d'en dire quelques mots.
Il faut voir dans cet engouement pour les eaux embouteillées le reflet d'une certaine méfiance à l'égard des eaux de distribution publique : à tord dans 90% des cas !.
(les eaux minérales se distinguent des eaux de source par leur minéralisation supérieure !)

Ainsi chaque français consommerait, en moyenne, 145 litres d'eau minérale en bouteille par an (chiffres 2018/2019).
Ils se situaient ainsi en 2011, derrière les Allemands, les Belges et surtout les Italiens (192 L/an/hab), les Européens les plus gourmands en bouteilles d'eau.
Cette consommation se répartirait comme suit :

Consommation totale dans le monde :

(source : Globometer, 2010/2011)

La France serait aussi le premier producteur mondial d’eau en bouteille.

Le consommateur ignore souvent la composition de ces eaux qui, bien souvent, sont médicinales et non potables chimiquement, aux termes de la législation des eaux de distribution. En effet, à l'exception de deux ou trois, ces eaux sont trop (ou trop peu ) minéralisées. La plupart sont cependant très riche en substances minérales.
Certaines émergent chaudes au griffon des sources, elles sont alors dites thermales (82°C à Chaudes Aiguës, 62°C La Bourboule, 45°C Le Mont-Dore).
On les classe en différents groupes selon la nature du sel prédominant.

• Alcalines (mais de pH acide) :
  Contiennent des bicarbonates alcalins (Vals - Vichy et Rozana [Groupe Neptune]). Elles stimulent la sécrétion gastrique et activent l'activité des globules du sang.
• Calciques :
  Contiennent soit des bicarbonates alcalino-terreux soit du sulfate de calcium (Badoit -Vittel - Contrexéville). Elles activent la circulation sanguine et favorisent la diurèse (secrétion d'urine).
• Magnésiennes :
  Contiennent surtout des bicarbonates et sulfates de calcium et magnésium et (Hépar - Rozana). Anti-fatigue.
• Chlorées : généralement, imbuvables. Elles peuvent contenir jusqu'à 300 g/l de chlorure de sodium (Salies de Béarn). Elles sont utilisées en bains contre le lymphatisme (état d'une personne lymphatique, apatique et molle).
• Arsenicales : contiennent des arséniates de sodium (La Bourboule - Plombières) ou du fer (St Nectaire). Ce sont des eaux dites "toniques".
•  Sulfureuses : contiennent des sulfures de sodium ou calcium, et surtout de l'hydrogène sulfurée ou acide sulfhydrique (H2S) à odeur d'oeuf pourri (Barèges- Luchon).
  Elles sont surtout utilisées contre les maladies de la peau.
•  Ferrugineuses : contiennent du fer sous une forme minérale (souvent bicarbonate) ou organique (St Moritz). Elles excitent l'appétit..
•  Radioactives : ce sont des eaux généralement peu minéralisées. Leur radioactivité permetrait d'expliquer l'action thérapeutique (?) que l'analyse chimique ne permet pas de comprendre
  (La Bourboule :14 l millimicrocuries - Plombières : 109 millimicrocuries).

Hypothèse - il est supposé par certains auteurs que les eaux minérales se soient formées par synthèse (?..) et non à partir des eaux d'infiltration : l'hydrogène qui se dégage des parties profondes du globe se combinerait à l'oxygène des oxydes métalliques du sol; et la vapeur d'eau ainsi produite pouvant ensuite réagir sur les sulfures donnant H2S, les chlorures donnant de l'acide chlorhydrique HCl. Ces acides se neutralisent ensuite au contact des roches (A. GAUTIER).

Signalons que, réglementairement, les eaux minérales doivent être bactériologiquement pures pour être agréées.
Il est toutefois permis de les stériliser à l'ozone et de les regazéïfier, à condition d'utiliser le gaz des sources et non du gaz industriel.

Un mot pour terminer sur les eaux dites "de table".
Il s'agit d'eaux livrées en bouteille ne présentant pas le caractère d'eau minérale. Il s'agit très souvent de puits ou de sources exploitées par des industriels.
Ces eaux peuvent subir n'importe quel traitement destiné à les rendre potables de la même façon que les eaux destinées à une adduction publique.
C'est ainsi qu'elles sont presque toujours stérilisées, souvent filtrées et subissent même parfois un traitement complet.
Les normes de potabilité concernant ces eaux ne diffèrent de celles destinées à une distribution publique que par une tolérance un peu moins grande en ce qui concerne la turbidité et les teneurs en fer et en manganèse.

Eau minérale = eau en bouteille ?
Non pas forcément, puisque toutes les eaux vendues en bouteille ne sont pas minéralisées.
Certaines eaux comme la Cristaline ne sont pas des eaux minérales. En ce qui concerne l’eau du robinet, selon les régions, les eaux de ville sont plus ou moins naturellement minéralisées. L’eau en bouteille n’est pas toujours meilleure que celle du robinet qui contient souvent autant de minéraux (calcium en particulier).

DÉFINITION DES EAUX MINÉRALES GAZEUSES.
"Les eaux minérales naturelles effervescentes dégagent, à l'origine ou après embouteillage, spontanément et de façon nettement perceptible, du gaz carbonique dans les conditions normales de température et de pression". (DIRECTIVE CEE N° 80/777 DU 15 JUILLET 1980 - ANNEXE 1).
Cette même directive limite l'usage de la mention "acidulée" aux eaux contenant plus de 250 mg/l de CO2 libre.
Dans la norme ALINORM 97/20 adoptée par le Codex Alimentarius lors de sa 22ème session à Genève du 23 au 28 juin 1997, on trouve la définition suivante :
Une "eau minérale naturelle naturellement gazeuse" est une eau minérale naturelle dont la teneur en gaz carbonique est, après traitement éventuel conformément à la section 3.1.1, réincorporation éventuelle du gaz et conditionnement, compte-tenu des tolérances techniques usuelles, la même qu'à l'émergence. Il s'agit du gaz carbonique spontanément et visiblement dégagé dans des conditions normales de température et de pression.
Ex : eaux gazeuses "naturelles" St-Yorre, Vichy Célestins, Perrier ou Quezac; eaux "gazéifiées" ou "pétillantes" (Badoit, Salvetat).

A contrario : Une "eau minérale naturelle non gazeuse" est une eau minérale naturelle qui, à l'état naturel et après traitement éventuel et conditionnement, compte-tenu des tolérances techniques usuelles, ne contient pas de gaz carbonique libre en proportion supérieure à la quantité nécessaire pour maintenir dissous les sels hydrogéno-carbonatés présents dans l'eau.

Ces remarques illustrent l'embarras du législateur; reflet des problèmes particuliers posés par les eaux gazeuses...

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Répartition du marché français :

Le marché des eaux de table est très concentré (83%).
Trois opérateurs dominent : Nestlé, Danone et le Groupe Alma-Neptune (N°1 en France grâce à Cristaline).

• Eaux de source :
  La production d’eau de source est présente dans toutes les régions, proche des sources afin d’approvisionner les marchés régionaux. Par exemple, sous la marque Cristaline les eaux sont produites sur une vingtaine de territoires.
• Eaux minérales :
  La France a reconnu 68 eaux minérales. La décision de reconnaissance est attribuée par le représentant de l’Etat dans chaque département.
  
  Les eaux plates ( 65 % du chiffre d’affaires de la catégorie) tirent toujours le gros du marché.
  Avec respectivement 24,7 %, 24,2 % et 23,9 % de parts de marché valeur, Danone Eaux, Nestlé Waters et Neptune (Alma) s’y tiennent toujours dans un mouchoir de poche.

  Dans les eaux gazeuses (27,6 % du chiffre d’affaires de la catégorie), c’est en revanche Nestlé Waters qui mène la danse en part de marché (40,4 %), loin devant Danone Eaux (28,2 %) et Neptune (11,7 %).

Quelques eaux minérales naturelles de France :
(en avril 2013, la France reconnaissait au total 82 eaux minérales naturelles sur son territoire)

Abatilles, Aix-les-Bains, Alet, Arcens, Arvie, Asperjoc, Badoit,
Celtic, Cilaos, Contrex, Drômeline, Évian, Hépar, Jouvence,
Mont-Roucous, Ogeu, Orezza, Parot, Perrier, Plancoët,
Quézac, Rozana, Saint-Alban, Saint-Amand-les-Eaux,
Saint-Georges, Saint-Géron, Sainte Marguerite,
Saint-Yorre,La Salvetat, Teissières-lès-Bouliès,
Thonon, Treignac, Vals, Vernière,
Vichy, Vittel, Volvic.
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(L'eau minérale "de Velleminfroy", déclarée « eau minérale naturelle » par décret de l’Académie impériale de médecine en 1859, est exploitée à nouveau depuis 2016)
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Composition moyenne de quelques eaux françaises du commerce :

	Badoit	Contrex	Evian	Hépar	Pérrier
Résidu sec ( à 180°C)	1200	2125	400	2580	476
pH	6,0	7,1	7,3	7,0	5,1
Cations :
Calcium	190	486	79	555	142
Magnésium	85	84	25	110	3,7
Sodium	150	9,1	5,8	14	15
Potassium	10	3,2	1	3,8	0,66
Manganèse	1	0,008	0,001	0,0004	0,002
Anions :
Hydrogènocarbonates	1300	403	351	403	326
Sulfates	40	1187	10,4	1479	76
Chlorures	40	8,6	2,7	10,5	30,5
Nitrates	21	2,7	3,5	3,9	27
Fluor	1	0,36	0,08	0,38	0,1

(mg/litre)

	Quézac	Volvic	Montclar	Vichy C.	Roche des Ecrins	Valvert	Rozana
Résidu sec (180°C)	~1930	105	139	3300	200	201	3022
pH	-	7,1	8,0	6,3	7,6	-	6,3
Cations :
Calcium	241	9,3	41	103	63	67,6	301
Magnésium	95	5,9	3	11,4	10,2	2	160
Sodium	255	8,6	2	1240	1,4	1,9	493
Potassium	49,7	5	0	70,8	0,4	0,2	52
Manganèse	-	0,002	-	0,002	-	-	-
Anions :
Hydrogènocarbonates	1685,4	58	134	3111	173,2	204	1837
Sulfates	143	6,6	2	173	51,3	18	230
Chlorures	38	5,5	3	240	240	4	649
Nitrates	<1	4,9	3	3,6	<1	3,5	1
Fluor	2,1	0,24	-	5,6	-	-	-

(mg/litre)

Notes :

• Marques du groupe Nestlé Waters, dont Nestlé France (Nestlé SA : multinationale suisse) > 72 marques d'eaux embouteillées, dont : Acqua Panna, Arrowhead, Contrex, Deer Park, Fürst Bismark, Hépar, Levissima, Naleczowianka, Nestlé Aquarel, Nestlé Pure Life, Ozarka, Perrier, Poland Spring, Quézac, San Pellegrino, Spring, Valvert, Nestlé Vera, Vittel, Zephyrhills, etc.
  
• Evian, Volvic, Salvetat, Badoit, Aqua : groupe Danone (né de la fusion entre BSN et Gervais Danone en décembre 1972).
  
• Cristaline est un nom générique, qui recouvre un certain nombre d'eaux de sources en fonction du lieu d'achat et des arrivages du moment.
  Ce sont presque toutes des eaux non gazeuses, de goûts et de compositions variables. L'eau provient de 22 sources différentes, dont entre autres :
  • la source Sainte-Cécile capté à Cairanne, dans le département du Vaucluse
  • la source de la Doye capté à Les Neyrolles, dans le département de l'Ain
  • la source des Grands bois, capté à Fismes, dans le département de la Marne
  • la source Arline capté à Franconville, département du Val-d'Oise
  • une source à La Ferrière-Bochard, située dans le département de l'Orne
  • une source à Metzeral, située dans le département du Haut-Rhin
  • la source Sainte-Sophie capté à Pérenchies, dans le département du Nord
  • la source Saint-Médard captée à Saint-Martin-de-Gurçon, dans le département de la Dordogne
  • la source de Saint-Cyr-en-Val - la Source, captée à Saint-Cyr-en-Val, en bordure du Loiret (à proximité d'Orléans)
  • la source Louise à Mérignies, dans le département du Nord
  • la source Saint Jean-Baptiste à Busigny, dans le département du Nord
  • la source Elena à Chambon-la-forêt, dans le département du Loiret[10].
  • la source La Reine à Saint-Goazec, dans le département du Finistère

La marque « Cristaline » est la propriété du Groupe Alma, et a pour filiales Neptune et la Compagnie Générale des Eaux de Source (CGES), et pour marques Saint-Yorre, Vichy Célestins, Thonon, Pierval, Chateldon, Courmayeur et Cristaline, Vernière et Rozana, et des marques régionales.
Cristaline détient 16.3 % de parts de marché en tant que leader.
>site officiel : https://www.moneaucristaline.fr/

S'il y a des données communes à toutes les eaux (selon le site officiel, toutes les sources comportent des teneurs inférieures à 8 mg/l en nitrates et 180 mg/l en calcium), il y a aussi des variations dans la composition.
Exemple, Eaux de source produites à Cairanne :

Nota : issues d'écosystèmes préservés, les eaux minérales naturelles et les eaux de sources répondent à un strict cahier des charges, gage de leurs qualités.
Dépendantes de la nature des sols dans lesquels elles ont voyagé, ces eaux sont en constantes interactions avec l'écosystème dont elles dépendent.
Aujourd'hui fragilisés par les changements climatiques et la surexploitation, ces écosystèmes fragiles sont menacés.
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> Voir la carte des eaux françaises (origine Aquamania.net)
>> télécharger la carte (Carteeauxfrance.zip, 53 ko)

>>> Liens Législation (Aquamania.net).

QUE D'EAU ! (collection d'étiquettes de bouteilles d'eau)

Caractéristiques physico-chimiques des eaux naturelles.

SUBSTANCES D'ORIGINE NATURELLE
Les gaz
Tous les gaz de l'air sont présents dans les eaux naturelles.
Leur solubilité est régie par les lois de Henry et de Dalton : voir, éventuellement, les notes sur la loi de Henry ou les lois générales des gaz (pages internes).

On rencontre donc toujours dans les eaux naturelles :
- Du dioxyde de carbone (CO₂) ou anhydride carbonique (gaz carbonique, lien page interne).
Notes sur l'origine du gaz.
On mentionnera l'existence de CO2 d'origine profonde, produit par métamorphisme des formations carbonatées, notamment à la périphérie des provinces volcaniques; le dégagement de CO2 serait produit par des réactions de type :

Ces dégagements de gaz peuvent soit remonter directement jusqu'en surface sans relais ni stockage intermédiaire, soit être piégés dans des systèmes intermédiaires (couches de charbon) ou des aquifères captifs de nature calcaire.
Egalement, encore la remontée actuelle de CO₂ d'origine magmatique, formant par exemple la province des eaux bicarbonatées sodiques du Massif Central.
Enfin, le CO2 peut être d'origine biogénique : dans les horizons superficiels, l'activité biologique de la faune et de la flore peut contribuer localement à la création de pressions partielles de CO2 dans les sols excédant nettement la pression de CO2 atmosphérique (environ 3,89.10^-4 atm ou 0,394 hPa).

Solubilité du gaz dans l'eau pure (à TPN >1013 hPa et 0 °C) : 1,7 vol/vol.
Nota - l'équilibre :

est réglé par la constante de Henry dont la valeur est (1013 hPa et 25 °C) :

avec pCO2 : pression partielle de CO2 et [H2CO3] : activité.

- Cette constante varie avec la température suivant l'expression empirique :

avec t, température en ° Celsius.

- Notons que l'activité [H2CO3] représente la molécule H2CO3 vraie (acide carbonique) et le CO2 dissous moléculaire présent à l'état de microbulles.
Par conséquent par exemple, dans une eau de surface à 25°C, on aura :

soit environ 0,53 g de CO2 libre par kg d'eau pure, ou 0,53 mg/litre.

La limite de solubilité de ce gaz en équilibre avec l'atmosphère est donc en fait assez basse (moyenne) :

cependant, la solubilité physique du CO2 constatée est, elle, très élevée , et nettement plus élevée que les autres gaz atmosphériques (N2 et O2), et les quantités retrouvées dans les eaux naturelles sont presque toujours très supérieures aux valeurs ci-dessus en raison des facteurs suivants :

• variation de la teneur en CO2 atmosphérique selon les contrées (et en constante augmentation),
• pression et concentration de CO2 au contact des nappes très supérieures à celles de l'atmosphère,
  (des pressions de CO2 de plusieurs dizaines d'atmosphères ont été rencontrées en profondeur),
• cinétique de dégazage de l'eau en grande masse très lente à la température ordinaire.

Également, ci-dessous la quantité maximum de CO2 dissous dans l'eau pure (en mg/l), sous pression de CO2 et pression atmosphérique :

Le CO2 se dissout donc dans l'eau en se combinant partiellement :

pour former de l'acide carbonique (H₂CO₃) en partie dissocié en ions : >>> HCO₃^- + H⁺ (ion hydrogénocarbonate et ion hydrogène),
et

Ce phénomène est essentiel et influence dans une large mesure le pH des eaux des mers et du sol, et constitue l'un des facteurs du comportement acide de ces eaux vis-à-vis du carbonate de calcium (ceci est précisé dans l'étude des équilibres calco-carboniques).
Ci-joint, par exemple, la variation du pH ( concentration en [H⁺] ) en fonction du CO2, dans une eau avec un TAC de 10°F et une minéralisation totale (un résidu sec) de 200 mg/l, ceci pour deux températures :

-

- de l'oxygène (dioxygène ou O₂, lien interne sur ce gaz).
Ce gaz n'est pas dissocié. Il n'a aucune action directe sur la santé.
Cependant, l'oxygène dissous constitue pour les eaux de surface un indicateur de qualité car la diminution de la teneur en O₂ est quasi généralement le fait d'une activité biologique. La teneur en oxygène dissous revêt également une certaine importance dans les phénomènes de corrosion.
Ci-joint :
Quantité d'O₂ dissous au maximum (solubilité, en g/m3 ou mg/l) dans l'eau pure :

O₂ = f(0 à 40°C)

Variation de la saturation en oxygène en fonction de la pression et de la salinité de l'eau (mg/l) :
Rappel : 1 atmosphère dite "normale" - lien interne - (ou pression atmosphérique standard ) = 101 325 Pa [newton / m²] ou 1 013,25 hPa, donc 1 013 250 dynes par centimètre carré (dyn/cm²), ou 1033,227 cm H2O à 4 °C (kg-force/cm², ou atmosphère technique) ou 760 mm Hg.
< Résolution 4 de la 10^ème CGPM (1954, CR,79) >





Nota : la quantité d'oxygène dissous, est donc fonction de la température et de la salinité, et une bonne idée des teneurs en O₂ dissous est donnée par la formule de Gameson

avec T=température en °C.

Formule de Gameson et Robertson pour eau salée (1<S<50 g/l) :

avec, S=salinité en g/l et T=température en °C.

Nota :
> http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/jctb.5010050909/citedby/

On peut aussi appliquer avec suffisamment de précision ce polynôme du second degré (valable entre 0 et 30°C) :

• Cs = 14,6 - 0,3818 t + 0,00488 t²

avec Cs concentration en O₂ dissous à saturation sous la pression atmosphérique (en mg·L^{- 1}) et t température (en °C).

Par ailleurs, une excellente approximation peut également être obtenue à partir de la formule de Mortimer (1981) qui présente l’avantage de s’appliquer entre 0 et 50°C :

^{Téléchargement d'une feuille de tableur pour calculs de la teneur en oxygène > ici
-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------}

- de l'azote (diazote, N₂).
Non dissocié, ce gaz inerte n'a aucune conséquence sur la qualité de l'eau.
Quantité d'azote dissous au maximum (solubilité, mg/l ou g/m3) dans l'eau pure :

On peut encore trouver, souvent à l'état de traces, un certain nombre de gaz dissous dans les eaux profondes.
Ce sont principalement

• l'acide sulfhydrique (hydrogène sulfurée ou sulfure d'hydrogène), H2S * (voir éventuellement les pages spéciales sur ce gaz),
  *gaz plus lourd que l'air - MV/air = 1,189.
• le méthane CH4 * (voir éventuellement les pages spéciales sur ce gaz),
  *gaz plus léger que l\'air - MV/air = 0,55.
• et quelques autres hydrocarbures gazeux.

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Les sels.
Sels formés à partir de bases fortes et d'acides forts :
Les plus importants sont les chlorures, les sulfates et les nitrates. Ils sont totalement dissociés (sous forme d'ions négatifs ou anions) et on les trouve conjointement avec leurs cations (ions positifs) qui peuvent être : Ca⁺⁺, Mg⁺⁺, Na⁺, K⁺ , etc.

<Nota : liens sur les chlorures (halogénures), les sulfates et les nitrates naturels >
(Webmineral, du BRGM).

Sels de bases fortes et d'acides faibles :
Ces sels ne sont que partiellement dissociés. Le seul acide faible rencontré dans les eaux (à l'exception de H2S éventuellement présent à l'état de traces) est l'acide carbonique déjà cité. Les sels les plus abondants sont ceux de calcium et, dans une moindre mesure, le magnésium. Parmi ceux-ci :

• le bicarbonate de calcium /ou hydrogénocarbonate de calcium Ca(HCO₃)₂ qui n'existe qu'en solution aqueuse,
• le carbonate de calcium peu soluble (environ 15 mg/l à 25 °C).

Les autres cations (Na, K) donnent des sels semblables, mais dont la solubilité est très supérieure.

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Les matières en suspension.
Le ruissellement des eaux de surface entraîne toujours une quantité plus ou moins importante d'éléments minéraux insolubles, de taille très variable. Ces substances constituent les matières en suspension.
Une partie de ces particules ont une taille suffisamment importante pour décanter spontanément dès que le régime hydraulique s'y prête. Il s'agit de suspensoïdes constitués le plus souvent de sables et d'argiles.
Une autre partie est constituée de particules très fines (colloïdes), très lentement décantables ou non décantables car affectées par le mouvement brownien.
Cette dernière part est responsable de la turbidité.
Le traitement d'une eau visant en premier lieu sa clarification (action de clarifier : rendre clair un liquide trouble) :

Toutes les particules ne troublent pas l'eau de la même façon. Les particules très fines et les colloïdes. diffusent la lumière, mais ne se voient pas à l'oeil nu (en particulier, les bactéries peuvent être en nombre considérable sans causer le moindre louche), tandis que les particules plus grosses absorbent la lumière sans la diffuser.
Ce ne sont que les particules dont le diamètre est du même ordre de grandeur de la lumière blanche, soit 0,4 à 0,8 micron qui absorbent la lumière tout en la diffusant.
Toute tentative d'évaluation des teneurs en matières en suspension à partir d'une mesure de turbidité n'est pas parfaite puisque la nature et la taille des particules varieront et dans l'espace et dans le temps. On trouve dans la littérature, des formules reliant turbidité et MES. Elles sont à considérer avec la plus grande circonspection. Notre expérience permet d'affirmer que dans la quasi totalité des cas, aucune corrélation directe (sans mesure de contrôle) ne peut être trouvée entre ces deux paramètres.
Toutefois, en première approximation on peut corréler la turbidité (NFU) à la concentration MES :

• Turbidités inférieures à 10 – 20 NFU > MES = 2 NFU,
• Turbidités supérieures à 20 NFU > MES = 3,3 NFU

NB : 1 NFU = 1 NTU (voir plus loin).

Outre leur aspect peu engageant et psychologiquement négatif, les eaux troubles présentent le grave inconvénient de provoquer des dépôts dans les réseaux, réservoirs et organes de distribution.
En ce qui concerne la santé, les particules terreuses ne sont pas nocives en elles-mêmes. Elles constituent cependant un excellent support pour les bactéries qu'elles protègent de l'action des désinfectants.
Une désinfection efficace a donc toujours pour première condition une excellente clarification.

• lorsque les installations sont d'un débit inférieur à 1 000 m3/j, ou desservent des unités de distribution de moins de 5 000 habitants,
• et pour :
  • les eaux douces superficielles venant des cours d'eau, des canaux, des lacs et des étangs, appartenant ou non au domaine public, utilisées ou destinées à être utilisées pour la production d'eau destinée à la consommation humaine.
  • pour les eaux d'origine souterraine provenant de milieux fissurés présentant une turbidité périodique importante et supérieure à 2 NFU.

une turbidité de 2 NFU est donnée comme indicateur témoin.

Actuellement : Décret n°2001-1220 du 20 décembre 2001 relatif aux eaux destinées à la consommation humaine, à l'exclusion des eaux minérales naturelles.



NB : en cas de mise en œuvre d'un traitement de neutralisation ou de reminéralisation, la référence de qualité s'applique hors augmentation éventuelle de turbidité due au traitement.
Rappel : 1 NFU (Nephelometric Formazine Unit) = 1 NTU (Nephélometric Turbidity Unit),
et, 1 NFU = 1 FTU (Formazine Turbidity Unit) = 1 FNU (Formazine Nephélometric Units).

NOTA :
En océanographie, on utilise depuis longtemps pour mesurer la turbidité de l'eau de mer, le disque de Secchi*: il s'agit d'un disque horizontal de dimension normalisée (20 ou 30 cm) descendu dans l'eau à l'aide d'une ligne graduée qui permet de mesurer la transparence d'une étendue d'eau, celle-ci sera d’autant plus élevée que la turbidité sera faible, ou plus la valeur du Secchi est importante, plus la turbidité sera faible :

(disque Secchi)

Méthode : on mesure la profondeur à laquelle le disque disparaît pour l'observateur situé à la surface, ou la profondeur à laquelle il réapparaît. La "profondeur de Secchi" exprimé en mètre (Secchi depth ou SD en anglais) obtenue par moyenne de ces mesures constitue une approche de la mesure de turbidité.

*Le disque Secchi a été nommé d'après son inventeur Pietro Angelo Secchi (1818-1878), astronome italien (et jésuite) qui fut directeur de l'Observatoire du Vatican. Le disque servit pour la première fois en mer Méditerranée en 1865. Il a les avantages d'être léger, peu encombrant, bon marché et simple d'utilisation.

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Par ailleurs, la couleur elle-même varie avec l'origine des eaux et les saisons. Les teintes s'échelonnent entre le bleu et le brun, en passant par le vert et le vert-jaune. Certains micro-organismes peuvent communiquer à l'eau une apparence tout à fait inhabituelle, telle, par exemple l'algue trychodesnion erythroteum qui est rouge sang (sang des bourguignons, mer rouge, lacs Australiens).
Pour caractériser au mieux la couleur, aucune méthode ne donne pleinement satisfaction. En pratique, on se contente de comparer la couleur de l'eau à celle d'une solution standard constituée par un mélange de sels de platine et de cobalt.

L'unité de couleur est le mg/l Pt/Co, appelé encore souvent degré Hazen.

La teinte de la solution étalon présente une coloration jaune verdâtre qui s'apparente assez bien à celle de la plupart des eaux naturelles. Toutefois, elle s'éloigne largement de la couleur observée pour les eaux riches en substances humiques (à base d'humus : lacs, barrages) qui est plutôt brune. La mesure de la couleur est donc entachée d'une très grande imprécision, d'autant que son appréciation varie beaucoup d'un individu à un autre.
 

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Les matières organiques.
Les substances organiques naturelles trouvées dans l'eau proviennent de la dégradation par voie biologique des végétaux et des animaux. Ces substances sont de natures très diverses et il est extrêmement difficile, sinon impossible, d'en distinguer la nature et/ou l'origine.
La présence d'une quantité importante de matières organiques dans une eau la rend suspecte non pas à cause de la nocivité intrinsèque des substances dissoutes, mais parce que l'on redoute que cette abondance ne constitue l'indicateur d'une mauvaise protection de la ressource.
L'abondance de matières organiques peut entraîner l'apparition de goûts et odeurs désagréables et très souvent une forte coloration (cas de substances dites "acides humiques" et "acides fulviques").
Les matières organiques constituent une source privilégiée de carbone organique favorisant la croissance des bactéries, des algues, du zoo plancton qui consomment de l'oxygène dissous.
L'évaluation des concentrations en substances organiques relève toujours d'une mesure globale qui ne donne aucune indication sur la nature des composés rencontrés.
Les normes prennent en compte :

• la mesure du Carbone Organique Total (COT) : dans son principe, cette mesure consiste à faire évaluer le carbone minéral par acidification et stripping (CO3^-- et HCO3^- se transformant en CO2), puis à oxyder le carbone organique jusqu'à son stade ultime, le CO2 qui est mesuré de diverses façons; la législation française ne donne pas de valeur pour la concentration en COT, mais le paramètre figure (Paramètre 25) dans la liste des substances indésirables des Normes;
• la mesure de l'oxydabilité au permanganate. Elle consiste à évaluer la quantité d'oxygène cédée par le permanganate de potassium pour oxyder les substances organiques contenues dans un volume d'eau déterminé...........................

La concentration en matières organiques s'exprime alors en mg/l O2 consommés.
La méthode normalisée en France réalise un test d'oxydation au permanganate en 10 minutes à 100 °C en milieu acide.
Dans ces conditions, la valeur limite pour les eaux potables a été fixée à 5 mg/ O2.
Cette valeur est assez élevée et peut être incompatible avec le critère couleur. Il faut s'efforcer, mais c'est là une opération difficile, de ramener la valeur de l'oxydabilité au voisinage du niveau guide des normes européennes, soit 2 mg/l O2.

SUBSTANCES D'ORIGINE ÉTRANGÈRE.
Il s'agit des substances de toute nature provenant des animaux, de l'homme, ou résultant des activités de l'homme.
Les eaux de surface et , dans une moindre mesure, les eaux souterraines peu profondes constituent le réceptacle ultime et naturel de tous les déchets.
Il s'agit de la pollution qui est d'ailleurs un phénomène inéluctable et en quelque sorte naturel. Pendant fort longtemps, cette pollution était parfaitement équilibrée par les processus d'auto-épurations du milieu. Elle n'avait donc pas de conséquences négatives.
L'accroissement démographique, l'industrialisation des productions agricoles et manufacturées, l'élévation du niveau de vie ont rompu ce fragile équilibre.

On trouve donc désormais dans les eaux un grand nombre de substances indésirables, dont l'origine peut être :

• domestique : matières fécales, détergents, graisses,
• industrielle : sans limite...
• agricole : nitrates, phosphates, pesticides 

Les concentrations de ces substances sont, fort heureusement, très faibles et l'on parle de micro-pollution minérale ou organique.
Il faut ajouter à ces substances celles qui sont introduites volontairement dans l'eau pour réaliser sa potabilisation.

Il s'agit de sels minéraux (de fer ou d'aluminium pour les floculants), du chlore utilisé pour la désinfection ou des composés formés par action de ces corps sur des ions ou des molécules initialement présents dans l'eau (chloramines, organo-chlorés, par exemple).