Le terme nappe phréatique est fréquemment employé dans le langage courant pour désigner toute eau souterraine, mais il possède en hydrogéologie une signification plus précise. Une nappe phréatique est une nappe libre, c'est-à-dire une nappe dont la limite supérieure est constituée par une surface libre appelée surface piézométrique ou niveau phréatique. Cette surface est en équilibre avec la pression atmosphérique et fluctue selon les saisons, les épisodes de recharge ou les prélèvements anthropiques. Elle se distingue des nappes captives, enfermées entre deux couches peu perméables ou imperméables, dans lesquelles l'eau est soumise à une pression supérieure à la pression atmosphérique. Lorsque ces nappes captives sont traversées par un forage, l'eau peut remonter spontanément jusqu'à la surface : on parle alors de puits artésien.

La formation d'une nappe phréatique repose sur un équilibre dynamique entre les processus d'alimentation, de stockage, de circulation et de décharge. Les précipitations constituent la principale source de recharge. Une partie de la pluie est interceptée par la végétation, une autre s'évapore directement, tandis qu'une fraction ruisselle vers les cours d'eau. La part restante s'infiltre dans le sol. Cette infiltration dépend de nombreux paramètres, notamment la nature des sols, leur structure, leur teneur en matière organique, la pente, la couverture végétale, les caractéristiques géologiques, l'intensité des précipitations et les conditions climatiques. Dans les régions tempérées, la recharge est généralement maximale durant l'automne et l'hiver, lorsque l'évapotranspiration est faible. Dans les régions tropicales, elle est étroitement liée à l'alternance des saisons sèches et humides.

Sous le sol se distinguent plusieurs zones hydrogéologiques. La première est la zone non saturée, également appelée zone vadose, où les pores contiennent simultanément de l'air et de l'eau. L'eau y circule principalement sous l'effet de la pesanteur et des forces capillaires. En profondeur apparaît la zone saturée, dans laquelle tous les espaces disponibles sont remplis d'eau. La limite entre ces deux domaines correspond au niveau phréatique. Ce niveau varie constamment sous l'influence des conditions météorologiques, de la topographie, de la recharge et des prélèvements humains. Dans les vallées, il est généralement proche de la surface, tandis que dans les régions montagneuses ou arides il peut se situer à plusieurs dizaines, voire plusieurs centaines de mètres de profondeur.

Le stockage des eaux souterraines dépend essentiellement des propriétés physiques des formations géologiques. Deux paramètres sont particulièrement importants : la porosité et la perméabilité. La porosité représente la proportion de vides contenus dans une roche ou un sédiment. Les argiles possèdent souvent une porosité très élevée mais une faible perméabilité, car leurs pores sont extrêmement fins et peu connectés. À l'inverse, les sables et les graviers présentent une porosité plus modérée mais une excellente connectivité entre les pores, ce qui favorise la circulation de l'eau. Les calcaires fissurés ou karstifiés peuvent également constituer d'excellents aquifères malgré une faible porosité primaire, grâce au développement de réseaux de fractures, de diaclases et de conduits de dissolution.

Les formations capables de stocker et de transmettre efficacement l'eau sont appelées aquifères. On distingue plusieurs grands types d'aquifères. Les aquifères poreux correspondent aux dépôts sédimentaires meubles tels que les alluvions, les sables ou les grès. La circulation de l'eau s'effectue alors dans les espaces intergranulaires. Les aquifères fissurés sont constitués de roches cristallines ou volcaniques où l'eau circule essentiellement dans les fractures. Les aquifères karstiques, développés dans les calcaires et les dolomies, présentent des circulations beaucoup plus rapides à travers un réseau complexe de galeries souterraines, de gouffres, de pertes et de résurgences. Enfin, certaines formations volcaniques très fracturées ou poreuses peuvent également constituer d'importants réservoirs souterrains.
-

Les écoulements souterrains sont beaucoup plus lents que les écoulements de surface. Leur vitesse varie considérablement selon les milieux traversés. Dans les argiles, l'eau peut progresser de quelques centimètres par an seulement. Dans les aquifères sableux, les vitesses atteignent souvent quelques dizaines de centimètres à quelques mètres par jour. Dans les réseaux karstiques, en revanche, l'eau peut circuler à plusieurs centaines de mètres, voire plusieurs kilomètres par jour. Cette grande variabilité explique les différences de vulnérabilité des aquifères face aux pollutions : une contamination peut mettre plusieurs décennies à atteindre certaines nappes profondes, tandis qu'elle peut parcourir très rapidement un système karstique.

Le fonctionnement hydraulique des nappes est régi par le gradient hydraulique, c'est-à-dire la différence de charge entre deux points de l'aquifère. L'eau s'écoule naturellement des secteurs de recharge situés généralement en altitude vers les secteurs de décharge, qui correspondent aux vallées, aux sources, aux lacs, aux zones humides ou aux littoraux. Ce mouvement est décrit par la loi de Darcy, formulée au XIX^e siècle, qui établit une relation entre le débit, la perméabilité du milieu, le gradient hydraulique et la section traversée. Cette loi constitue encore aujourd'hui l'un des fondements de l'hydrogéologie quantitative.

Les nappes phréatiques entretiennent des relations permanentes avec les eaux de surface. Dans de nombreux bassins versants, elles alimentent les cours d'eau pendant les périodes sèches. Cet apport, appelé débit de base, permet le maintien de l'écoulement lorsque les précipitations sont insuffisantes. Inversement, lors des crues ou dans certaines conditions géologiques, les cours d'eau peuvent recharger les nappes en perdant une partie de leur eau vers le sous-sol. Les échanges sont donc bidirectionnels et dépendent des différences de niveau entre la rivière et la nappe. Les zones humides représentent également des interfaces privilégiées entre les eaux superficielles et les eaux souterraines.

Les sources constituent les principales manifestations visibles des nappes phréatiques. Elles apparaissent lorsque le niveau de la nappe recoupe la surface topographique ou lorsqu'une couche imperméable oblige l'eau à émerger. Leur débit peut être relativement constant lorsque l'aquifère possède une forte capacité de stockage, ou au contraire très variable dans les systèmes karstiques, où les réponses aux précipitations sont souvent rapides. Certaines grandes résurgences karstiques figurent parmi les plus importantes sources naturelles de la planète, avec des débits pouvant atteindre plusieurs dizaines de mètres cubes par seconde.

La composition chimique des eaux souterraines évolue au cours de leur circulation. Initialement proche de celle des eaux de pluie, elle s'enrichit progressivement en ions dissous issus des interactions entre l'eau et les roches traversées. Les principaux ions présents sont les bicarbonates, les calcium, les magnésium, les sodium, les potassium, les chlorures et les sulfates. Les concentrations dépendent de la nature des formations géologiques, du temps de résidence de l'eau, de la température et des réactions géochimiques. Dans les régions calcaires, les eaux sont généralement riches en calcium et en bicarbonates, ce qui explique leur dureté. Dans les terrains granitiques, elles sont souvent plus faiblement minéralisées.

Les eaux souterraines jouent également un rôle géochimique majeur. Elles participent à l'altération chimique des roches, au transport des éléments dissous, à la formation des sols et au fonctionnement des cycles biogéochimiques du carbone, du soufre, du fer ou encore du silicium. Les échanges entre l'eau et les minéraux entraînent des phénomènes de dissolution, de précipitation, d'oxydoréduction, d'échanges ioniques et d'adsorption qui modifient progressivement la composition chimique des aquifères.

Les nappes hébergent également une biodiversité spécifique longtemps méconnue. Les écosystèmes souterrains abritent une faune spécialisée appelée stygofaune, composée de crustacés, de vers, d'insectes, de mollusques et de nombreux microorganismes adaptés à l'obscurité permanente, aux faibles ressources alimentaires et à des températures relativement stables. Les bactéries et les archées souterraines jouent un rôle essentiel dans les cycles biogéochimique en participant à la dégradation de la matière organique, à la nitrification, à la dénitrification, à la réduction des sulfates ou encore aux transformations du fer et du manganèse.

Du point de vue des activités humaines, les nappes phréatiques constituent une ressource stratégique. Elles fournissent une part importante de l'eau potable mondiale, alimentent l'agriculture irriguée et de nombreuses industries. Dans plusieurs régions du monde, elles représentent la seule ressource disponible pendant les périodes de sécheresse. Leur intérêt réside notamment dans la qualité généralement élevée de leurs eaux, naturellement filtrées lors de leur infiltration à travers les sols et les formations géologiques. Cette filtration réduit la charge en matières en suspension et élimine une partie des microorganismes pathogènes, bien qu'elle ne protège pas contre toutes les formes de pollution.

Les nappes sont néanmoins soumises à de multiples pressions anthropiques. Les prélèvements excessifs peuvent provoquer un rabattement durable du niveau phréatique, réduire le débit des sources et des rivières, assécher les zones humides et entraîner des conflits d'usage. Dans les régions côtières, la surexploitation favorise l'intrusion d'eau de mer dans les aquifères, rendant les eaux impropres à la consommation et à l'irrigation. Les grands aquifères fossiles, constitués d'eaux infiltrées durant des périodes climatiques plus humides parfois vieilles de plusieurs dizaines de milliers d'années, sont particulièrement vulnérables car leur renouvellement est extrêmement lent.

La pollution des nappes constitue un autre enjeu majeur. Les nitrates issus des engrais agricoles, les pesticides, les hydrocarbures, les solvants chlorés, les métaux lourds, les résidus pharmaceutiques, les composés per- et polyfluoroalkylés (PFAS), les microplastiques ainsi que diverses substances industrielles peuvent atteindre les aquifères après infiltration. La vitesse de propagation de ces contaminants dépend fortement des caractéristiques géologiques. Une fois introduits dans une nappe, ils sont souvent difficiles, voire impossibles, à éliminer complètement. Les opérations de dépollution sont longues, coûteuses et rarement capables de restaurer totalement la qualité initiale de l'aquifère.

Le changement climatiques modifie progressivement le fonctionnement des nappes phréatiques. L'augmentation des températures accroît l'évapotranspiration, réduisant la part des précipitations disponible pour la recharge. Les modifications du régime des pluies, l'intensification des sécheresses, la diminution de l'enneigement dans les régions montagneuses et la multiplication des événements extrêmes perturbent les cycles saisonniers de recharge. Certaines régions devraient connaître une diminution durable de leurs réserves souterraines, tandis que d'autres pourraient subir une augmentation de la fréquence des recharges rapides accompagnées d'un risque accru de contamination.

La surveillance des nappes repose sur un vaste réseau de piézomètres permettant de mesurer l'évolution du niveau phréatique, ainsi que sur des analyses physicochimiques et microbiologiques régulières. Les progrès récents de l'hydrogéologie s'appuient sur la modélisation numérique des écoulements, la géophysique, la télédétection satellitaire, les traceurs isotopiques et les méthodes géochimiques permettant de déterminer l'origine, l'âge et les temps de résidence des eaux souterraines. Les isotopes stables de l'oxygène et de l'hydrogène, ainsi que les isotopes radioactifs comme le tritium ou le carbone 14, fournissent des informations précieuses sur les processus de recharge et sur les vitesses de circulation.

La gestion durable des nappes phréatiques repose aujourd'hui sur une approche intégrée conciliant les besoins humains et la préservation des écosystèmes. Elle implique la protection des zones de recharge, la limitation des pollutions diffuses, une meilleure efficacité des usages agricoles et industriels, la restauration des zones humides, ainsi que l'adaptation des prélèvements aux capacités de renouvellement des aquifères. Dans certaines régions, des techniques de recharge artificielle sont mises en oeuvre afin d'augmenter les réserves souterraines par infiltration contrôlée d'eaux de surface ou d'eaux traitées. Ces pratiques nécessitent cependant une surveillance rigoureuse afin d'éviter l'introduction de contaminants ou des modifications indésirables de la qualité chimique des aquifères.