Éditeur(s) : HAL CCSD
Résumé : The present study addresses the question of increasing need in water supply. One line of research consists in investigating karst aquifers that represent significant water supplies for the areas around the Mediterranean. This work aims at developing a methodology of predictive evaluation of karst distribution and karst thickness within the carbonate massifs. It is based on the study of the Tethysian carbonate platform from the area of Montpellier, South of France. This area underwent a polyphased, complex, tectonic evolution, involving successive karst forming events. The approach is based on the relationships between eustacy and geodynamics, on one hand, and base-level variation recorded within palaeokarsts, on the other hand. Sedimentary fill of palaeokarsts allows to identify distinct karstification phases and sometimes to date them. It is a marker of base-level variations, which we attempt to quantify, that is responsible for karst formation and karst filling and sealing. For three palaeokarsts of regional extent, we analyze : karst sedimentary-fill, the distribution along upstream-downstream profile, the vertical extension of palaeokarsts, indicative of the base-level lowering. - The " Bauxite palaeokarst " results from the two-stage evolution of the " Isthme Durancien " : i) Bauxitic weathering of the Neocomian cover over the southern Massif Central , related to an inversion during Barremian ; ii) ≥1600 m uplift and exhumation during Aptian-Albian, inducing erosion of alterites, upstream, and deposition of detrital bauxites, downstream. - The " Early Paleocene palaeokarsts with marine sedimentary-fill " indicate base level variations of more than 350m in the upstream area. It is suggested here that such base-level variations, exceeding eustacy and recorded in tabular undeformed series, result from desiccation-flooding events in an endoreic silled basin. - The " Miocene palaeokarst with Cevennes-sourced sediment-fill " records a Serravalian-Tortonian base-level drop, depicted by canyon incision in the hinterland of the Gulf of Lion Margin. Uplift values of ≥ 400m upstream, about 250m in an intermediate area and 10's of m downstream, are measured. The present 3D geometry and distribution of carbonate massifs (exposed and covered) are modeled in the study area, from the Cevennes to the Mediterranean. The 3D geological model integrates seismic reflection, borehole and gravimetric data. Tectonic restoration of a N-S section, extracted from the 3D model, allows to reconstruct paleo-base-levels with respect with the carbonate massifs, at different stages of deformation and successive phases of karstification. The 3D paleo-flows through carbonates across the study area, are thus constrained, especially during the Messinian desiccation stage. Application of the results to hydrogeology leads to the following : - Uplift of upstream hinterland (Cretaceous, Miocene) produces large amplitude karsts, but they do not make significant reservoirs. - Karstification responsible for the development of important and deep karst reservoirs is related to desiccation of endoreic basins (early Paleocene and Messinian). - Theses two events have produced two main deep karst reservoirs, with a gravimetric signature : (1) Upstream of Montpellier Thrust, between Pic St Loup, Les Matelles Fault and Hérault Basin, a deep karsts developed over 900m thickness in the Malm limestone, during Paleocene. (2) Downstream (south) of Montpellier Thrust, the coastal karsts extend offshore over more than 10km, they are sealed by a thick Miocene to Quaternary cover, and they result from the Messinian event.
Cette étude s'inscrit dans un contexte de demande croissante en ressources en eau, conduisant à mieux contraindre et estimer la distribution des aquifères karstifiés qui représentent une ressource importante, notamment sur le pourtour méditerranéen. Le but de ce travail est d'élaborer une méthode prédictive de la distribution de la karstification et de l'épaisseur de massifs carbonatés karstifiés, notamment pour les karsts profonds. La méthodologie est développée à partir de l'étude des karsts de la plateforme carbonatée téthysienne du Languedoc montpelliérain; région qui a subi une histoire tectonique complexe et polyphasée, entrainant des phases de karstification successives. Elle est basée sur la compréhension des relations entre eustatisme, géodynamique et niveau de base, enregistrées par les paléokarsts de la région. Le remplissage sédimentaire des paléokarsts permet d'identifier les épisodes de karstification et de les dater ; c'est un marqueur des variations -que l'on cherche à quantifier- du niveau de base local responsable de la formation et du comblement des karsts. On analyse 3 paléokarsts d'extension régionale dont on peut étudier : le remplissage karstique, la distribution le long de profils amont-aval et l'extension verticale indicatrice de l'amplitude de l'abaissement du niveau de base dont il est issu. On en déduit les causes géodynamiques à l'origine de leur formation: - Le " paléokarst des bauxites " à remplissage caractéristique, résulte de l'évolution en 2 phases de " l'Isthme Durancien " : altération bauxitique de la couverture néocomienne sur le sud du Massif Central, liée à une inversion au Barrémien, suivi d'une surrection ≥ 1600m à l'Aptien-Albien, causant l'érosion des altérites en amont et le dépôt des bauxites détritiques en aval. - Le " paléokarst à remplissage marin paléocène inférieur " indique des variations du niveau de base local ≥350m dans la zone amont sud-cévenole. On propose que ces variations de niveau de base d'amplitude très supérieures aux variations eustatiques et dans une zone faiblement déformée, résultent d'assèchements et d'ennoiements d'un bassin endoréique à seuil. - Le " paléokarst à remplissage détritique d'origine cévenole ", enregistre la chute du niveau de base au Serravalien-Tortonien, qui se traduit par l'incision de canyons dans l'arrière-pays de la marge du Golfe du Lion. On détermine une surrection de plus de 400 mètres à l'amont, près de 250m dans les blocs faillés intermédiaires et quelques dizaines de mètres dans la zone avale. En parallèle, on établit la géométrie et la distribution actuelles des massifs carbonatés dans la zone d'étude (y compris sous couverture), en construisant un modèle géologique 3D, des Cévennes à la Méditerranée. On intègre les données de sismique réflexion, de forages et les données gravimétriques. La restauration tectonique séquentielle d'une coupe Nord-Sud extraite du modèle géologique permet d'appréhender la position des paléo-niveaux de base par rapport aux massifs carbonatés, pour chaque époque de karstification. On déduit l'organisation 3D des paléo-écoulements à travers la géométrie complexe des massifs carbonatés languedociens, notamment pendant l'évènement messinien. En terme d'évaluation de la ressource en eau, on déduit que: - Les surrections de l'arrière-pays (Crétacé " moyen ", Miocène) produisent des karsts de grande amplitude, mais ne constituent pas de réservoirs significatifs. - La karstification à l'origine de réservoirs exploitables importants et profonds est créée par l'assèchement de bassins endoréiques, qui ont affecté la région au Paléocène inférieur et au Messinien . - Ces deux évènements sont à l'origine de deux principaux réservoirs karstiques profonds qui ont une signature gravimétrique : (1) En amont du chevauchement de Montpellier, entre le Pic Saint Loup, la faille des Matelles et le bassin de l'Hérault, le karst profond se développe sur une épaisseur atteignant 900m, et est attribuée à l'événement du Paléocène. (2) Au Sud du chevauchement de Montpellier les karsts côtiers s'étendent jusqu'à plus de 10 km au large, scellés par une épaisse couverture Miocène et Plio-Quaternaire, et résultent de l'événement Messinien.
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Résumé : Karst systems are the most important groundwater reservoirs in Mediterranean areas. Their structure and functioning are complex and not well known because of the high heterogeneity created and organised by groundwater flow. Water storage entities and water storage changes within remain difficult to assess by direct measurement and modelling. Geodetic monitoring is here used to constrain and bring original insights on karst system functioning. The Durzon karst system (Larzac plateau, Southern France) is monitored by several geodetic techniques: - Monthly absolute gravity measurements at three sites - Time-lapse surface to depth gravity measurements - Time-lapse microgravity surveying - Continuous long base hydrostatic tiltmeter monitoring at two sites Absolute gravity monitoring complemented with relative gravity surveys allows quantification of water storage changes on the studied karst system. Interannual water storage changes as detected by gravity are ~400 mm in amplitude. These storage changes are shown to occur in the epikarst and infiltration zone in certain areas. Water storage variations spatial heterogeneity is also demonstrated on the karst system. Tilt measurements monitor fast and slow infiltration processes within the karst fractured media. Karst system geodetic monitoring brings both quantitative and integrated hydrologic knowledge. Such methods could be applied to other karst aquifer studies.
Les aquifères karstiques constituent l'essentiel des ressources en eau souterraine sur le pourtour de la Méditerranée. Leur structure et leur fonctionnement sont complexes et mal connus à cause du processus de karstification qui hiérarchise la circulation hydrodynamique en leur sein. La localisation du stockage de l'eau et de ses variations au sein de tels aquifères est difficile à mesurer et à modéliser. Nous utilisons les outils de la géodésie pour apporter de nouvelles contraintes sur le fonctionnement hydrologique et les variations de stock d'eau en milieu karstique. Ainsi, le système karstique du Durzon, (Causse du Larzac, France) fait l'objet d'un suivi par plusieurs méthodes géodésiques incluant: - Des mesures de gravimétrie absolue en trois sites répétées de manière mensuelle ; - Des mesures répétées de gravimétrie relative entre la surface et la profondeur du karst ; - Des mesures répétées de microgravimétrie ; - Des mesures inclinométriques longue base en deux sites. Nous démontrons que le couplage entre la gravimétrie absolue et relative permet d'appréhender les variations de stock d'eau sur le bassin d'alimentation étudié. Les variations inter-anuelles observées sont de l'ordre de 400 mm, et nous montrons que celles-ci s'opèrent dans certaines zones au sein des horizons supérieurs du karst : épikarst et zone d'infiltration. Une forte hétérogénéité spatiale des variations de stockage est aussi mise en évidence à l'échelle du bassin d'alimentation. Les mesures inclinométriques permettent de suivre les phénomènes d'infiltration rapide et lente dans la masse karstique fracturée. Le suivi géodésique de ce système karstique permet d'apprécier quantitativement et de façon intégrée son fonctionnement hydrologique et pourra être transposé pour l'étude d'autres aquifère karstiques.
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Résumé : Karstic aquifers represent the most important fresh water reservoirs in many regions of the world like the Mediterranean Basin. However, because of complex processes of karstification, those aquifers are highly heterogeneous at all spatial scales and vulnerable to contamination. In this dissertation, we studied the potential of gravimetry and ambient seismic noise for hydrological modeling in karstic areas.The dolomitic area surrounding the “GEK” observatory in the Durzon catchment on the Larzac plateau, in France, is the preferred site for these studies. Inside the observatory, a superconducting gravimeter dedicated to hydrology has continuously measured gravity changes since 2011 with high precision, undertaken for the first time on a karst. From this gravity monitoring, we made conceptual hydrological models which laid the foundation of 1-D flow physical models. Indeed, gravimetry is an integrative hydro-geophysical method which allows 1) to consider the epikarst, locally heterogeneous as an equivalent tabular medium and 2) to define the types of transfer (fast & slow) occurring at the site. Especially, the lack of fast transfer through the GEK epikarst was precisely quantified for the first time at the field scale (~100m). Gravity-driven water mass balance with local meteorological data (evapotranspiration from a flux tower and precipitation) allowed setting the bottom outlet of the model to 1 mm.day-1. This flow has proved to be representative of the low-flow discharge at the only spring which represents all groundwater outflows from the catchment. This result supposes the homogeneity of the dolomitic epikarst almost at the basin scale. Model parameters were next calibrated using one year of ambient seismic noise monitored at two stations. Phase velocity changes obtained by cross-correlating the noise between 6 and 8 Hz were used as a ”timer” to follow the water infiltration between a depth of 30 and 60 meters. Thus, monitoring seismic velocity changes using ambient seismic noise demonstrates great potential for the study of deep and complex critical zones and could fill the instrumental gap currently existing in hydrology.Time-lapse gravity measurements with a spring-based portable gravimeter have also demonstrated the different behavior of two epikarsts and their variability at the scale of a few hundred meters. Monthly measurements around the observatory revealed the spatial homogeneity of this dolomitic epikarst: all the stations showed the same water storage changes. On the contrary, seasonal surface to depth gravity measurements along the underground passage of the Saint-Ferréol sinkhole, in limestone, have shown fast transfer and strong spatial variability of water storage. Lithology is then expected to play a part in the epikarst capacity to retain water. The precision needed to measure the weak hydrological induced signals during those surveys required robust methodology and an ambient temperature effect on measurements with spring-based gravimeter was observed in the field and quantified in the laboratory.
Les aquifères karstiques représentent des ressources en eau essentielles dans de nombreuses régions du monde comme le bassin Méditerranéen. Cependant, de par les processus complexes de karstification, ces aquifères sont hétérogènes à de nombreuses échelles et vulnérables. Dans cette thèse, nous étudions le potentiel de la gravimétrie et du bruit sismique ambiant pour la modélisation hydrologique en milieu karstique.Le site dolomitique de l’observatoire « GEK », sur le bassin du Durzon dans le Larzac, est le site d’étude privilégié de ces travaux. Dans l’observatoire, un gravimètre supraconducteur dédié à l’hydrologie mesure depuis 2011 les variations de gravité en continu et à une très haute précision, pour la première fois sur un karst. Des modèles hydrologiques conceptuels ont été réalisés à partir de cette surveillance gravimétrique et ont permis de poser les bases de modèles physiques d’écoulements 1-D. En effet la gravimétrie, intégratrice, permet 1) de considérer l’épikarst localement hétérogène comme un milieu tabulaire équivalent et 2) de définir les types de transfert à l’œuvre sur le site. En particulier, l’absence de transfert rapide dans l’épikarst a été quantifiée avec précision pour la première fois à l’échelle du terrain (~100m). A l’aide de données météorologiques locales, un bilan de masse précis a permis de définir le flux en limite inférieure du modèle à 1 mm.jour-1. Ce flux s’est montré représentatif du débit de basses-eaux de la source drainant l’ensemble du bassin. Ce résultat suppose une homogénéité de l’épikarst dolomitique quasiment à l’échelle du bassin. Les paramètres des modèles physiques ont ensuite pu être calibrés à l’aide d’un an d’intercorrélation du bruit sismique ambiant entre deux stations. Les variations de vitesses de phase obtenues entre 6 et 8Hz nous ont servi de « chronomètre » pour suivre l’infiltration entre 30 et 60m de profondeur. La surveillance passive des variations de vitesses sismiques par intercorrélation du bruit sismique ambiant montre ainsi un fort potentiel pour l’étude des zones critiques profondes et complexes à l’échelle du terrain et peut combler la lacune instrumentale qui existe actuellement en hydrologie.Des campagnes répétées de mesures avec un gravimètre portable à ressort ont également mis en évidence le fonctionnement différent de deux épikarsts et leur variabilité à l’échelle de la centaine de mètres. Des mesures mensuelles autour de l’observatoire ont mis en évidence l’homogénéité spatiale de cet épikarst dolomitique : toutes les stations ont les mêmes variations temporelles de stock d’eau. Au contraire, des mesures saisonnières en surface et en profondeur le long de la galerie souterraine calcaire de l’abîme de Saint-Ferréol ont montré une variabilité spatiale forte du stockage ainsi que du transfert rapide. La lithologie de l’épikarst est donc suspectée de jouer un rôle dans sa capacité de stockage. Lors de ces campagnes, la faiblesse du signal recherché a nécessité une méthodologie précautionneuse et un effet de température sur les mesures des gravimètres relatifs à ressort a été observé sur le terrain et quantifié en laboratoire.
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NNT : 2016MONTT128
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Résumé : The heterogeneous nature and sometimes karstified carbonate environments has a direct impact on many environmental issues, such as coastal aquifers affected by saltwater intrusion. At the south of the island of Mallorca (Spain), the Llucmajor carbonate platform offers a privileged site for the study of such intrusions including the experimental site of Campos who meets the intrusion at shallow depth. The characterization of heterogeneous properties passes through a preliminary description of the properties of carbonate reservoirs, including those of the porosity. According to the wide range of sizes of heterogeneities from micrometer to hundreds of meters, the use of multiscale methods is required. This thesis focused on the determination of multiscale porosities from the microporosity to karstic porosity, and of relationships between observation scale changes of these properties. At the micron scale, high-resolution X-ray microtomography allows to extract the microporosity and the microporous network connectivity. At lower resolution (mm), X-ray tomography is also used to study the micro- and macro-porous network at the core scale which is already allocated to number of observations and measurements, including petrophysical. At the borehole scale, the wall images are used to identify the dissolved zones from centimeter macropores to plurimetric karstic cavities. At the larger scale, surface geophysics study the lateral extension of the karsts and heterogeneities. Finally, the porous structure of the studied site is integrated with its wide range of scales into the regional geology of the Llucmajor platform. Thus, the hydrogeophysical observatory set up on the site of Campos to monitor the spreading of salt water in the aquifer is integrated in its geological and petrophysical context, in order to refine the interpretation of its variations of salinity measurements during the time.
La nature hétérogène et parfois karstifiée des milieux carbonatés a un impact direct sur nombre de problématiques environnementales, comme celle des aquifères côtiers affectés par une intrusion d'eau salée. Au sud de l'ile de Majorque (Baléares, Espagne), la plate-forme carbonatée de Llucmajor offre un site privilégié pour l'étude de telles intrusions notamment avec le site expérimental de Campos, qui rencontre l'intrusion à faible profondeur. La caractérisation des propriétés hétérogènes du réservoir passe par une description préalable des propriétés des réservoirs carbonatés et notamment celle de la porosité. Au regard de la large gamme d'échelles d'hétérogénéités allant du micromètre à la centaine de mètre, l'utilisation de méthodes multi-échelles est nécessaire. Ce travail de thèse a porté sur la caractérisation multi-échelle de la porosité, allant de la microporosité à la porosité karstique, et l'établissement de relations entre les changements d'échelles d'observation de ces propriétés. A très petite échelle, la microtomographie haute-résolution à rayons X extrait à l'échelle du micron la microporosité et la connectivité des réseaux microporeux. A plus basse fréquence (celle du mm), la tomographie est également utilisée afin d'étudier le réseau micro- et macroporeux à l'échelle des carottes, à laquelle sont réalisées nombre d'observations et de mesures, notamment pétrophysiques. A l'échelle du puits, les images de paroi permettent d'identifier les zones de dissolution allant des macropores centimétriques aux cavités karstiques plurimétriques. A plus grande échelle, la géophysique de surface permet d'étudier l'extension latérale de ces karsts et hétérogénéités. Enfin, la structure poreuse du site étudié sur cette vaste gamme d'échelles est intégrée à la géologie régionale de la plate-forme de Llucmajor. Ainsi, l'observatoire installé sur le site pour surveiller la propagation de l'eau salée dans l'aquifère a pu être replacé dans son contexte géologique et pétrophysique, afin d'affiner l'interprétation de ses mesures de variations de salinité au cours du temps.
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Résumé : Karst systems are the most important groundwater reservoirs in Mediterranean area. Beyond saturated zone, unsaturated zone constitute an entity where water storage and transfer play a major role in a global behavior of spring water. This structure and functioning are complex and not well known because of the high heterogeneity created and organized by groundwater flow. In this study, we used gravimetric and hydrogeologic method to directly observe and quantify water storage and transfer processes in unsaturated zone of karst system. Surface to depth gravity measurements on several karst system allow quantifying seasonal water storage changes in unsaturated zone. We show that these variations occur in the first tens meters of unsaturated zone. Furthermore, water storage capacity of unsaturated zone seems to be influenced by lithology (limestone or dolomite). Finally, direct observations of water flow in unsaturated zone are done using caves access. We show that some characteristics of unsaturated water flow such as bipolar slow-fast flow can be widespread for whatever depth of measurement and recharge area. Model of this flow, using a simple modeling scheme, show the complexity of water transfer processes in unsaturated zone of karst system.
Les aquifères karstiques constituent l'essentiel des ressources en eau du pourtour Méditerranéen. Au-delà de la zone saturée de ces systèmes, la zone non saturée constitue une entité importante quant au transfert et au stockage temporaire de l'eau. La structure et le fonctionnement de cette entité du karst sont complexes et mal connus à cause du processus de karstification qui hiérarchise la circulation hydrodynamique en son sein. Dans cette étude nous utilisons des méthodes géodésiques et hydrogéologiques afin d'observer de façon directe et de quantifier les processus de transfert et de stockage de la zone non saturée. Les mesures gravimétriques en surface et profondeur sur différents systèmes karstiques ont permis de quantifier les variations du stockage en eau saisonnier dans la zone non saturée. La gravimétrie différentielle montre que ces variations sont réparties dans les quelques premiers mètres de la zone non saturée. Il semble, de plus, que la capacité de stockage de la zone non saturée soit fonction de la lithologie de l'encaissant (calcaire et dolomie). Enfin, des observations directes du flux d'eau en zone non saturée ont été effectuées par le biais de mesures dans différentes cavités. Nous montrons que certaines caractéristiques du flux d'eau en zone non saturée, comme la présence d'un flux bipolaire lent-rapide, peuvent être généralisées quelque soit la profondeur de mesure et la surface d'impluvium. La modélisation de ce flux, à partir d'un schéma simple, a montré la complexité des processus de transfert engendrés au sein de la zone non saturée.
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