Le schéma de distribution du système d'écoulement des eaux karstiques contrôlé par des failles dans le bassin de la source Baotu, Shandong, Chine

Pourquoi les sources d'une ville comptent

Au cœur de Jinan, une ville du nord de la Chine célèbre pour ses sources claires et jaillissantes, le vrai spectacle se joue sous la surface. Ces sources emblématiques dépendent de rivières souterraines cachées qui s'écoulent à travers des roches fissurées et dissoutes. Cette étude examine comment d'importantes fractures de la croûte terrestre, appelées failles, et des conduits dissous dans le calcaire, appelés karst, coopèrent pour conduire les eaux souterraines vers le groupe de sources de Baotu — et comment ces mêmes voies peuvent aussi transporter des polluants vers la ville. En décodant ce système de plomberie invisible, les chercheurs fournissent des clés pour maintenir l'écoulement des sources de Jinan et assurer la sécurité de son eau potable.

Le paysage caché sous la ville

Sous le bassin de la source Baotu se trouve un épais empilement d'assises anciennes de calcaire et de dolomie qui ont été lentement dissoutes par des eaux de pluie légèrement acides pendant des millions d'années. Ce processus a sculpté un réseau complexe de pores, de fractures et de galeries souterraines. De grandes failles traversent ces roches, agissant soit comme des barrières étanches, soit comme des conduits ouverts. Ensemble, elles forment un schéma en trois parties : la pluie et la neige s'infiltrent dans le sol des montagnes méridionales plus élevées, l'eau se déplace souterrainement à travers une zone centrale où failles et structures karstiques guident l'écoulement, et enfin les eaux souterraines remontent et se déchargent sous forme de sources dans la plaine septentrionale plus basse. L'étude montre que ce schéma général — recharge au sud, écoulement central, décharge au nord — constitue l'ossature du système local d'approvisionnement en eau.

La chimie qui raconte une histoire

Pour comprendre comment l'eau circule dans ce réseau caché, l'équipe a collecté plus de 200 échantillons d'eau provenant de sources, de puits et de cours d'eau de surface entre 2014 et 2021. Ils ont mesuré les ions dissous tels que calcium, magnésium, bicarbonate et sulfate. Dans les eaux souterraines karstiques, les eaux interstitielles de sédiments meubles et les eaux de surface, le calcium était l'ion positif dominant, tandis que le bicarbonate et le sulfate constituaient les principaux ions négatifs. Les solides dissous totaux étaient modérés et relativement stables, avec seulement de faibles variations d'une année sur l'autre. Ces signatures indiquent un processus simple mais puissant : l'eau s'enrichit en minéraux en altérant et en dissolvant la roche environnante. Les minéraux carbonatés comme la calcite et la dolomite sont en grande partie saturés — ce qui signifie qu'ils sont proches de leur limite de dissolution — tandis que des sels tels que le gypse et l'halite tendent à continuer de se dissoudre, alimentant lentement le sulfate et d'autres ions dans l'eau.

Comment les failles remodelent l'écoulement souterrain

La chimie seule ne permet pas de montrer d'où à où l'eau circule, aussi les chercheurs ont-ils construit un modèle informatique tridimensionnel détaillé du bassin en utilisant des forages, des cartes et des données d'altitude. Ils ont employé un logiciel spécialisé en hydrogéologie pour simuler le mouvement de l'eau à travers 13 couches rocheuses jusqu'à 600 mètres de profondeur. Après avoir ajusté soigneusement le modèle pour qu'il corresponde aux niveaux d'eau mesurés, ils ont constaté que les eaux souterraines s'écoulent généralement du sud‑est plus élevé vers le nord‑ouest plus bas. Mais les failles rendent ce trajet loin d'être simple. La faille de Qianfoshan bloque l'écoulement dans son segment sud mais laisse passer l'eau dans le nord, courbant et détournant les lignes d'écoulement souterraines. La faille de Chaomidian, en revanche, est très perméable sur toute sa longueur, attirant l'eau des deux côtés comme un drain et formant un corridor d'écoulement concentré. Ces structures transforment le bassin en une série de zones connectées mais distinctes avec des vitesses et des trajectoires de circulation des eaux souterraines différentes.

Suivre un polluant invisible

Pour étudier comment une contamination pourrait se propager dans ce système, l'équipe a utilisé le nitrate — courant dans les engrais et les eaux usées — comme polluant simulé dans leur modèle. Ils ont introduit des sources continues de nitrate près des failles majeures et observé comment les panaches de pollution simulés évoluaient sur 20 ans selon différentes perméabilités des failles. Lorsque la faille de Chaomidian était très conductrice, le panache se propageait rapidement et largement le long des canaux associés à la faille. Le long de la faille de Qianfoshan, le segment perméable du nord permettait au panache d'avancer, tandis que le segment serré du sud jouait le rôle de barrière, empêchant le passage. Dans tous les scénarios, dès lors qu'il existait une différence de pression d'eau suffisante pour entraîner l'écoulement, les panaches continuaient de croître au fil du temps, même lorsque la perméabilité globale restait modeste. Cela met en évidence comment les failles peuvent à la fois focaliser et confiner la pollution, créant des zones de risque étroites mais à portée étendue.

Ce que cela signifie pour les sources et les populations

Mis bout à bout, les résultats chimiques et de modélisation dressent un tableau clair pour un public non spécialiste : les célèbres sources de Jinan sont alimentées par un système d'eau souterraine robuste, guidé par des failles, dont les directions principales d'écoulement sont stables dans le temps, mais dont les trajectoires détaillées sont très sensibles à la structure et à la perméabilité des failles et des conduits karstiques. Les mêmes caractéristiques qui apportent l'eau pure de la montagne aux sources peuvent aussi accélérer le transport des polluants s'ils pénètrent dans le système. En identifiant où se trouvent les principales zones de recharge, comment les failles majeures dirigent l'eau et où les panaches de pollution sont les plus susceptibles de se propager, cette étude offre une feuille de route scientifique pour protéger les débits des sources, définir des pratiques d'utilisation des terres plus sûres et planifier la gestion à long terme des eaux souterraines à Jinan et dans d'autres régions karstiques similaires dans le monde.

Citation: Gang, S., Jia, T., Deng, Y. et al. The distribution pattern of the fault karst water flow system in the Baotu spring Basin, Shandong, China. Sci Rep 16, 9857 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-39308-7

Mots-clés: eaux souterraines karstiques, écoulement contrôlé par des failles, Source Baotu, pollution par les nitrates, modélisation numérique