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Le sol et le sous-sol ne peuvent contenir de l’eau que s’ils possèdent une porosité significative, c'est-à-dire une quantité de vide permettant de contenir de l’eau. La porosité exprime (en pourcentage) le rapport entre le volume de vides et le volume total de la roche.

La porosité est dépendante de la forme, de l’agencement des grains constituant la roche, mais aussi de leur degré de classement, de compaction, de cimentation. La fracturation et l’altération par dissolution des niveaux rocheux peuvent également constituer des facteurs favorables au développement de la porosité (figure 2.3.3.2).

La totalité de l’espace poral d’un sol ou d’une roche ne peut pas être considérée comme disponible à l’écoulement ceci est particulièrement vrai dans les roches finement fracturées ou constituées de particules très petites. En effet, les forces de capillarité et les phénomènes de tension superficielle sont susceptibles de maintenir piégée dans la roche une certaine quantité d’eau que l’on nommera eau liée. En opposition à l’eau liée, on pourra alors définir le terme d’eau libre, cette dernière étant alors entièrement disponible à l’écoulement. Le second terme de porosité tient compte uniquement du volume d’eau libre contenu dans la roche.
La porosité totale sera ainsi représentative des capacités de stockage du matériau rocheux considéré et la porosité efficace reflétera les capacités transmissives de ce même matériau (Tableau 2.3.3.3 n, ne, K).

L’eau stockée dans la porosité d’un sol ou d’une roche est susceptible de se déplacer et la capacité d’une roche de stocker et de transmettre un fluide constitue ses propriétés hydrauliques. La loi empirique gouvernant les écoulements souterrains est la loi de Darcy, formulée en 1856. Cette loi est fondamentale pour les eaux souterraines, elle détermine que le flux qui pourra traverser une roche (pour une surface donnée) est fonction des propriétés intrinsèques du matériau (sa perméabilité) et de la pression que l’eau exerce par gravité (le gradient hydraulique, défini comme une pente par le rapport hauteur-longueur).

La perméabilité, K, est une propriété du matériau : il représente la plus ou moins grande capacité d’un matériau à se laisser traverser par l’eau. Dans la nature, il est possible de trouver une échelle très vaste de valeur de K (figure 5). De façon générale, les roches granulaires non consolidées et les roches fissurées présentent des valeurs élevées de conductivité hydraulique, à l’opposé les roches composées de particules fines (silts, argiles) ou encore les roches cristallines cohérentes montrent des valeurs très faibles.

Les variations naturelles dans les valeurs de perméabilité des matériaux géologiques et la capacité de transmission de l’eau qui en découle conduisent à identifier différents types de milieux en fonction de leur aptitude au stockage et à la transmission de l’eau souterraine. Un aquifère est alors défini comme une couche rocheuse ou un ensemble de couches rocheuses suffisamment perméables pour permettre le stockage et l’écoulement d’une nappe d’eau souterraine. Ainsi il est possible de retirer d’un aquifère des quantités appréciables d’eau par l’intermédiaire de puits ou de forages. Des matériaux comme le sable, les graviers, les calcaires altérés et les grès fracturés constituent en général de bons aquifères. Le terme d’aquitard s’applique aux formations rocheuses de faible perméabilité susceptibles de fournir des quantités d’eau appréciables seulement à l’échelle régionale mais desquelles il est impossible de soutirer des eaux par les ouvrages de captage classiques. Les aquicludes correspondent à des matériaux saturés d’eau mais de très très faible perméabilité, incapables de transmettre des quantités d’eau significatives (argiles, marnes). Ces matériaux agissent comme de véritables barrières régionales aux écoulements.