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Caractérisation d’un système karstique : généralités, système d’étude et méthodes d’analyses
Les aquifères karstiques
Afin de définir et de comprendre les processus hydrodynamiques et hydrochimiques qui ont lieu au sein de la zone non saturée des aquifères karstiques, ce chapitre présente ce type d’hydrosystème de façon générale : leur formation/genèse, leurs spécificités, leurs structures, et le fonctionnement de chaque sous-système pouvant constituer le karst.
Définition et généralités
Le mot « karst » vient du mot slovène « kras » qui désigne une région du nord-est de l’Adriatique, située entre le golfe de Trieste, la vallée la Vipava, la vallée de la Rasa et le secteur de Recka (Bignot, 1972). Cette région est composée d’un plateau calcaire qui présente une morphologie bien particulière de vallées sèches et de dépressions fermées. Son sous-sol compte de nombreux gouffres, grottes et rivières souterraines. Bakalowicz (1999) définit le karst de la manière suivante : « le karst est l’ensemble des formes superficielles et souterraines résultant de la dissolution des roches carbonatées (calcaire, dolomie) par l’eau rendue acide par l’acide carbonique; par extension l’ensemble des formes comparables se développant dans les roches salines (gypse, anhydrite, halite) ». Les aquifères karstiques incluent toutes les entités géologiques karstifiées qui contiennent de l’eau souterraine (Perrin et al., 2003).
A l’échelle mondiale, le karst affleure sur 10 à 15 % de la surface des continents (Gunn et Lowe, 2000 ; Ford et Williams, 2007) et 35 % du continent européen (Perrin et al., 2003). Les eaux souterraines karstiques représentent donc une ressource actuelle et future de première importance pour l’alimentation en eau potable de la population mondiale (Goldscheider, 2002).
En France, le karst représente 35 % du territoire et fournit plus de 55 % d’eaux souterraines destinées à l’alimentation en eau potable (AEP). Des grandes villes sont même alimentées en totalité par ce type de ressources (Montpellier, Besançon ou Poitiers). Le karst donne naissance à des sources très importantes en terme de débits, pour n’en citer qu’une : la Fontaine de Vaucluse
Spécificités du karst
La principale caractéristique d’un aquifère karstique est l’organisation évolutive de son hétérogénéité. Ainsi pour un système karstique, il est quasiment impossible de définir un VER (Volume Elémentaire Représentatif), au même titre que pour un aquifère poreux ou fissuré. Les roches carbonatées étant solubles à l’eau, l’aquifère karstique est soumis à une évolution morphologique constante. Le processus de karstification entraine l’élargissement des vides originels de façon hiérarchisée et l’augmentation de la porosité. L’organisation de cette hétérogénéité se traduit par le développement d’un réseau de conduits de perméabilité importante et de dimensions généralement inconnues. Ce réseau est compris dans un volume de roches fracturées de faible perméabilité et est connecté à un exutoire, le plus souvent une source karstique (Perrin et al., 2003). Selon Kiraly (1998), la dualité des aquifères karstiques est donc la conséquence directe de cette structure particulière :
﹣ dualité des processus d’infiltration (infiltration lente dans les volumes à faibles perméabilités et infiltration rapide à travers les réseaux de conduits),
﹣ dualité des conditions de décharge (écoulement diffus à partir des volumes à faibles perméabilités, débits importants à l’exutoire à partir des réseaux de conduits).
Propriétés structurales et physico-chimiques des roches karstifiables
Propriétés structurales des roches karstifiables
La circulation et le stockage des eaux souterraines dans un aquifère karstique sont conditionnés par l’agencement géologique de la fracturation de l’aquifère. Les caractéristiques litho-stratigraphiques de celui-ci déterminent sa géométrie, sa structure et ses propriétés hydrodynamiques et géochimiques :
﹣ Fonction capacitive (ou réservoir) caractérisée principalement par la porosité matricielle ou de fracture selon l’aquifère, qui caractérise le stockage et contrôle le soutien des débits d’étiage
﹣ Fonction transmissive avec la perméabilité qui conditionne l’écoulement de l’eau souterraine de la zone vadose jusqu’à l’exutoire,
﹣ Fonction d’échanges caractérisée par les processus d’interactions physico-chimiques entre l’eau souterraine et la roche réservoir.
La porosité et la perméabilité du réservoir organisent la circulation des eaux souterraines et déterminent donc la morphologie et l’interconnexion des vides karstiques. Cependant, l’hétérogénéité du milieu et les propriétés physico-chimiques des roches karstifiables (carbonatées) peuvent faire évoluer ces deux paramètres (porosité et perméabilité).
Propriétés physico-chimiques des roches karstifiables
Les propriétés physico-chimiques des roches karstifiables sont caractérisées par :
﹣ un comportement cassant, favorisant une tendance à la fracturation plutôt qu’une déformation plastique (comme les argiles sous des conditions de températures et de pression assez faibles),
﹣ une faible solubilité du carbonate de calcium à la pression partielle de CO2 atmosphérique (pCO2) proche de 15 mg/l,
﹣ une porosité primaire assez faible,
﹣ une porosité secondaire importante résultant des fractures (fissures, diaclases, failles…) mais elle peut aussi tendre vers l’infini dans les drains karstiques.
Cependant, les propriétés physico-chimiques des roches carbonatées sont insuffisantes pour expliquer à elles-seules la mise en place de vides karstiques de grandes dimensions. Ils sont dus aux processus d’érosion (mécaniques et chimiques) que subissent ces formations. Ils peuvent atteindre près de 15 % du volume du massif en général.
La karstification
Définition
La karstification englobe « l’ensemble des processus de genèse et d’évolution des formes superficielles et souterraines d’une région karstique » (Gèze, 1973). Elle est la conséquence de la dissolution des carbonates et de l’érosion mécanique. Elle dépend de deux paramètres essentiellement :
﹣ le potentiel de karstification, lié aux conditions climatiques ainsi qu’à la géométrie du réservoir et l’existence d’un gradient hydraulique,
﹣ la structure interne du massif (lithologie, porosité, fracturation) car la karstification se développe le plus souvent dans la fracturation.
Le système karstique provient de la structuration spatiale et temporelle d’un ensemble de vides creusés à la faveur de discontinuités dans une masse rocheuse grâce à la dissipation d’énergie (Quinif, 1998). Cette dernière résulte de la transformation de 3 types d’énergie primaire dans le système : l’énergie mécanique, chimique et potentielle :
﹣ l’énergie mécanique est la raison de la fracturation du massif, de la détente mécanique de certaines fractures et de la surrection du massif qui accroit l’énergie potentielle,
﹣ la transformation de l’énergie chimique est la dissolution de l’encaissant avec production de solutés (HCO3- , Mg2+, Ca2+, …) et de matières solides comme les impuretés des carbonates : argiles, grains de dolomies, etc. l’intensité de cette transformation dépend du potentiel chimique à l’entrée du système (concentration de CO2 et d’autres acides),
﹣ la transformation de l’énergie potentielle comprend l’évacuation des produits de l’attaque chimique (solutés et matières solides) ainsi qu’une production de chaleur par la viscosité du liquide. Deux paramètres interviennent : la différence d’altitude entre entrée et sortie du système (correspondant à la charge hydraulique par rapport au niveau de base) et le débit d’eau qui transite dans le système.
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Table des matières
INTRODUCTION
Chapitre 1 : Caractérisation d’un système karstique : généralités, système d’étude et méthodes d’analyses
I. Les aquifères karstiques
A. Définition et généralités
B. Spécificités du karst
1. Propriétés structurales et physico-chimiques des roches karstifiables
1.1. Propriétés structurales des roches karstifiables
1.2. Propriétés physico-chimiques des roches karstifiables
2. La karstification
2.1. Définition
2.2. Principe de la karstification
3. Notions de système ouvert et de système fermé
C. Structure et fonctionnement du système karstique
1. Variabilité des systèmes karstiques
2. Caractérisation du système karstique
3. Sol
4. Epikarst
4.1. Définition et rôle
4.2. Représentation de l’épikarst
5. Zone Non Saturée
5.1. Définition et rôle
5.2. Représentation de la Zone Non Saturée
6. Zone Saturée
II. Site de recherches – Méthodes d’analyse et de prélèvements, précision et validation
A. Site de recherches, le Laboratoire Souterrain à Bas Bruit
1. Contexte géologique
1.1. Géologie structurale
1.2. Unités lithologiques
2. Le système karstique de Fontaine de Vaucluse
2.1. Contexte hydrogéologique
2.2. Contexte climatique
2.2.1. Station de suivi climatique et calcul de l’évapotranspiration
2.2.2. Bilan climatique de la région (entre 2004 et 2012)
2.2.3. Pluies efficaces entre mai 2004 et septembre 2012
3. Le Laboratoire Souterrain à Bas Bruit (LSBB), accès unique à la zone non saturée
3.1. Description du site et historique
3.2. Intérêt scientifique du site
3.3. Contexte hydrogéologique et pédologique
3.4. Dispositifs de terrain et périodicité d’échantillonnage
B. Méthodes de prélèvements
1. Méthodes d’analyses hydrochimiques
1.1. Mesures des paramètres physico-chimiques in-situ
1.2. Mesures en laboratoire
1.2.1. Anions
1.2.2. Cations
1.2.3. Carbone Organique Total (COT)
2. Echantillonnage et périodicité des prélèvements
Chapitre 2 : Caractérisation des écoulements au sein de la zone non saturée d’un système karstique
I. Etat des connaissances hydrodynamiques et hydrochimiques de la zone non saturée du système
karstique de Fontaine de Vaucluse
II. Etude hydrodynamique des écoulements au sein de la zone non saturée
A. Variabilité hydrodynamique des écoulements
B. Conditions d’activation des écoulements
1. Relations pluies-débits : variabilité temporelle
2. Relation entre les précipitations et le nombre de points d’écoulement actifs
3. Classification hydrodynamique des écoulements au sein de la zone non saturée
3.1. Ecoulements lents
3.2. Ecoulements rapides
3.3. Ecoulements intermédiaires
C. Organisation spatio-temporelle des écoulements au sein de la zone non saturée
1. Caractérisation géologique des points d’écoulement
2. Relation entre la fracturation et la localisation des points d’écoulement
3. Relation entre la profondeur et la localisation des points d’écoulement
4. Relation entre la fracturation, la profondeur et l’organisation spatiale des point
d’écoulement
5. Synthèse
D. Schéma conceptuel hydrodynamique des écoulements au sein de la ZNS
III. Etude hydrochimique des écoulements au sein de la zone non saturée
1. Magnésium : source et variations théoriques
2. Matière organique : sources et variations théoriques
3. Chlorure, traceur conservatif
4. Nitrate
5. Sulfate, traceur de l’infiltration
6. Bicarbonates, traceurs relatifs aux processus de dissolution
7. Caractérisation hydrochimique globale des écoulements
8. Evolution temporelle des signaux chimiques en fonction de la pluie efficace sur la période d’étude
8.1. Evolution temporelle des éléments chimiques des points d’écoulement en fonction de la pluie durant la période sèche
8.2. Evolution temporelle des éléments chimiques des points d’écoulement en fonction de la pluie durant la période de reprise
8.3. Evolution temporelle des éléments chimiques des points d’écoulement en fonction de la pluie durant la période humide
8.4. Evolution temporelle des éléments chimiques des points d’écoulement en fonction de la pluie durant la période sèche post-humide
8.5. Evolution temporelle des éléments chimiques des points d’écoulement en fonction de la pluie durant la période sèche à événements extrêmes
9. Différentiation des 3 types d’écoulements par traçage naturel
9.1. Variation des teneurs en magnésium et en COT des écoulements lents
9.2. Relations entre les variations en COT et en magnésium sur tous les écoulements durant la période d’étude
9.3. Relation entre les variations des concentrations moyennes en magnésium et COT et les écart-types
10. Les traceurs de l’infiltration
10.1. Différentiation des écoulements avec le chlorure
10.2. Différentiation des écoulements avec le sulfate
10.3. Variations des concentrations en sulfates et en chlorures
11. Traceur des conditions géochimiques : les bicarbonates
Chapitre 3 : Synthèse générale et implications pour la caractérisation des écoulements au sein de la zone non saturée
CONCLUSIONS GENERALES
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