Axe 2 - Hydrogéologie du Karst

Lien entre kartogénèse et fonctionnement hydrogéologique Mise en place polyphasée des karsts de plateau   

Margot Vivier Eglantine Husson, Stéphane Jaillet, Jean Baptiste Charlier

Contexte Général

​Le site d’étude est le bassin de la Loue (~1500 km²) dans le massif du Jura, typique de karsts de plateaux, caractérisé par des interactions surface/souterrain, des échanges entre réservoirs et des réponses hydrogéologiques contrastées selon les unités aquifères drainées par le bassin. 

Dans le massif du Jura, les enjeux sur la pérennité de la ressource en eau du massif sont majeurs. L’augmentation du stress hydrique depuis 50 ans est illustrée par une diminution des débits sur une large partie du massif jurassien, et les projections futures font apparaitre une plus faible disponibilité de la ressource en eau superficielle. Or les aquifères karstiques constituent la principale ressource en eau souterraine du territoire et contribuent grandement aux écoulements de surface contrôlant alors la qualité des écosystèmes qui en dépendent. Cet état de fait impose de mieux caractériser et comprendre ces réservoirs aquifères qui seront de plus en plus sollicités dans l’avenir.

Afin de préserver et gérer au mieux cette ressource il est nécessaire de proposer de nouveaux outils d’évaluation et de gestion de la ressource dans ce type de milieux.

Site d'étude Margot Vivier 

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​Objectif principal​​

La karstologie a fait des avancées considérables ces dernières décennies, avec l’avènement de nouveaux paradigmes sur la formation des karsts, l’origine et les processus responsables de la karstification qui ne sont pas ou peu considérés dans les modèles hydrogéologiques. Dans ce cadre, la thèse de Margot Vivier (BRGM - G-EAU) vise à faire le lien entre l’histoire karstogénétique et l’hydrogéologie actuelle. La révision des modèles conceptuels hydrogéologiques des karsts implique d'abord l'intégration de nouvelles informations géologiques relatives à la karstification. Pour cela, il semble pertinent d'analyser conjointement la géomorphologie de surface et des réseaux karstiques afin de mieux étudier les relations entre les processus karstogénétiques et hydrogéologiques.

Objectifs Margot vivier 

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​Approche méthodologique​

La méthodologie combine des approches de i) morphologie de surface, ii) de spéléogénèse et iii) d’hydrogéologie

schéma conceptuel margot vivier 

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Cartographie Margot Vivier

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Premiers résultats et contributions

Tout d’abord, une cartographie morphologique de surface détaillée a permis de mettre en évidence que les plateaux actuels correspondent à d’anciennes dépressions à fond relativement plat, elliptique, de grande étendue (~ 400 km²) comprises entre des barrières hydrologiques en relief que sont les faisceaux (anticlinaux chevauchants). Ces dépressions, interprétées comme des paléo-poljés, sont aujourd’hui perchées à 150 m au-dessus du niveau de base actuel (fond du canyon de la Loue) et n’ont plus qu’un fonctionnement hydrologique résiduel. Ensuite, l’analyse des traçages artificiels au sein des hydrosystèmes karstiques majeurs actuels a permis de préciser l’extension de leurs bassins d’alimentation. Une importante corrélation spatiale entre la géométrie de ces bassins actuels et les paléo-poljés semble indiquer qu'ils ont pré-structuré le drainage souterrain. En souterrain, l’analyse des galeries horizontales (morphologie des cavités) montre plusieurs niveaux et des morphologies de paragénèse fréquentes. Cette organisation particulière des karsts de plateau est probablement liée au fonctionnement hydrologique des paléo-poljés (périodes d’ennoiement saisonnières). Nos résultats permettent de proposer un premier modèle conceptuel karstogénétique et hydrogéologique de la mise en place des karsts de plateau du massif du Jura.

Résultats Margot Vivier 

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Caractérisation hydrogéologique des zones de faille impliquées dans la recharge rapide et concentrée des eaux souterraines.  

Aurélie Bourra  Directrice et encadrants de thèse: V. Léonardi, Y. Cousquer, C. Homberg, P. Brunet, N. Loget

Contexte Général

Les eaux souterraines représentent près de la moitié de l’approvisionnement mondial en eau potable. Parmi elles, les aquifères karstiques — développés dans des roches calcaires dissoutes par l’eau — constituent environ 25 % des ressources exploitées dans le monde. Ces systèmes sont capables de stocker et de transférer rapidement de grands volumes d’eau, ce qui en fait des réservoirs stratégiques, notamment dans les régions méditerranéennes.

Cependant, leur fonctionnement est complexe. L’eau y circule à la fois lentement dans la matrice rocheuse et très rapidement dans des fractures et des conduits karstiques. Cette dualité rend ces aquifères particulièrement vulnérables aux contaminations de surface.

Dans ce contexte, les zones de faille — fractures majeures issues de la déformation tectonique — jouent un rôle encore mal compris dans les milieux karstiques. Elles peuvent soit favoriser l’écoulement des eaux souterraines en agissant comme des drains naturels, soit au contraire compartimenter le réservoir en formant des barrières hydrauliques. Comprendre leur rôle est donc un enjeu scientifique et opérationnel majeur pour la gestion durable de l’eau.

Le site étudié est l’aquifère du Lez dans le sud de la France, principale ressource en eau potable de la métropole de Montpellier. Cet aquifère présente un réseau dense de failles corrélées à des zones de pertes de rivières, constituant des axes potentiels de vulnérabilité.

Aquifère du lez - Aurélie Bourra

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Objectif principal​​

La problématique centrale de cette thèse est de comprendre comment les zones de faille contrôlent les structures du milieu karstique intervenant comme voies d’écoulement, et comment celles-ci influencent les dynamiques de transfert des eaux souterraines à l’échelle de l’aquifère.

Intro Aurélie Bourra

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Aurélie Bourra

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Approche méthodologique

La méthodologie développée dans ces travaux repose sur une stratégie pluridisciplinaire et multi-échelle, conçue pour dépasser les limites des approches classiques appliquées isolément aux milieux karstiques. La complexité des zones de faille et l’hétérogénéité des écoulements souterrains imposent en effet d’articuler observations géologiques, analyses hydrodynamiques et outils de modélisation afin de produire une interprétation cohérente du fonctionnement du système.

À l’échelle locale, une analyse géologique et structurale détaillée a été menée afin de caractériser l’architecture interne des zones de faille. Ce travail a permis d’identifier les relations entre fracturation tectonique et développement du réseau karstique, et de déterminer dans quelles conditions ces structures favorisent la formation de conduits ou, au contraire, freinent les écoulements. Cette étape constitue un socle indispensable pour comprendre l’organisation spatiale des circulations d’eau.

À une échelle intermédiaire, centrée sur la zone de faille elle-même, les propriétés hydrodynamiques ont été étudiées à partir de données d’essais de nappe. Ces données ont été exploitées par modélisation inverse afin d’estimer les paramètres hydrauliques et d’évaluer la capacité des méthodes usuelles à représenter correctement un milieu aussi hétérogène. Cette démarche a également permis de discuter les biais liés à l’échelle d’investigation et à l’interprétation des résultats.

Enfin, à l’échelle globale de l’aquifère, l’ensemble des données acquises a été intégré dans une approche de modélisation pluie–débit–niveau visant à analyser le fonctionnement hydrologique du réservoir dans son ensemble. Cette étape a conduit à l’élaboration d’un modèle conceptuel reliant la structure tectonique, l’organisation du karst et les dynamiques de transfert vers l’exutoire principal.

L’originalité de cette méthodologie réside ainsi dans l’articulation cohérente entre les différentes échelles d’observation, permettant de relier les caractéristiques géologiques fines des zones de faille aux réponses hydrologiques globales de l’aquifère.

Méthodologie Aurélie Bourra

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Résultats essentiels et contributions

Les résultats de cette thèse montrent que les zones de faille jouent un rôle majeur dans l’organisation des écoulements souterrains de l’aquifère du Lez (Figure 1). L’impact de ces structures tectoniques est fortement dépendant de l’échelle considérée.

À l’échelle locale, certaines parties des zones de faille favorisent la circulation de l’eau et le développement de conduits karstiques, constituant ainsi des voies préférentielles pour la recharge et les transferts d’eau souterraine.

Toutefois, ces mêmes structures peuvent localement freiner les écoulements, tout en restant ponctuellement franchissables (Figure 1 – zoom sur la zone de faille). Cette organisation explique pourquoi une même structure peut à la fois concentrer les écoulements et compartimenter le réservoir.

Ces structures tectoniques ont joué un rôle déterminant dans le développement du réseau karstique et dans l’organisation des écoulements souterrains, jusqu’à la mise en place de l’exutoire principal du système, la source du Lez.

À l’échelle de l’aquifère, les travaux montrent que les zones de faille associées au réseau karstique sont fortement connectées à l’exutoire principal. Elles permettent des transferts rapides et concentrés de l’eau infiltrée, avec des volumes significatifs. Ces zones confirment qu’elles représentent des axes majeurs de vulnérabilité qualitative pour la ressource. Toutefois, il a également été mis en évidence qu’elles constituent avant tout des zones de recharge rapides et concentrées (Figure 1 – zone de perte de rivière). Ces structures représentent donc un atout majeur pour la recharge en eau.

Ces résultats ont conduit à proposer une nouvelle représentation du fonctionnement de l’aquifère, montrant une organisation intimement liée à l’architecture des zones de faille, qui contrôlent à grande échelle la connectivité hydraulique et les modalités de transfert de l’eau vers l’exutoire. Cette vision permet de mieux comprendre les réponses rapides du système aux événements hydrologiques ainsi que les contrastes observés dans la qualité de la ressource.

Conclusion Aurélie Bourra

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Le système étudié constitue ainsi un cas exemplaire, à la fois par son importance stratégique pour l’alimentation en eau et par sa représentativité des aquifères karstiques faillés exploités sur le pourtour méditerranéen.

Plus largement, ces travaux apportent un éclairage nouveau sur le rôle des zones de faille dans les aquifères karstiques. Ils montrent que ces structures ne peuvent être considérées ni uniquement comme des barrières, ni uniquement comme des conduits, mais comme des éléments clés du fonctionnement hydrogéologique, dont l’influence dépend du contexte géologique et hydrologique. Cette articulation des échelles et des outils permet de produire une vision cohérente et opérationnelle du rôle des zones de faille dans les aquifères karstiques.

Ces résultats visent à produire des connaissances fondamentales sur les interactions entre zones de faille et karstification, et à proposer des approches méthodologiques transférables à d’autres systèmes karstiques faillés exploités pour l’alimentation en eau potable, dans un objectif de gestion des zones à risque et d’anticipation des impacts liés aux pressions anthropiques et climatiques.

Intégrés au projet K3 de l’ANR PEPR One Water, ces travaux s’inscrivent dans une dynamique collaborative visant à étudier l’impact des changements globaux sur les ressources en eau karstiques. Les échanges avec les collectivités locales et les acteurs socio-économiques, menés sur l’aquifère du Lez, ont permis de discuter des résultats et de souligner la nécessité de prendre en compte les caractéristiques propres du karst afin de mieux anticiper les pressions anthropiques et climatiques.

La méthodologie développée, reproductible et adaptable, ouvre ainsi des perspectives pour d’autres territoires confrontés à des enjeux similaires de gestion de l’eau.

Enfin, ces recherches offrent des apports opérationnels pour la gestion de l’eau en améliorant l’identification des zones de recharge et des axes de vulnérabilité. Elles constituent ainsi une base scientifique solide pour anticiper les risques et accompagner la gestion durable des ressources en eau dans un contexte de pressions anthropiques et climatiques croissantes.

Application à Fontaine de Vaucluse  

Vers une meilleure intégration des hétérogénéités géologiques dans les modèles d'écoulement des hydrosystèmes karstiques   

Jérémie Rinaudo Youri Hamon, Naomi Mazzilli, Christophe Emblanch, André Fourno

Contexte Jérémie Rinaudo 

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Contexte Général

Les aquifères karstiques sont des systèmes hydrogéologiques particulièrement sollicités (20 % des usages à l'échelle planétaire) mais d'une grande complexité en raison de leur structuration fortement contrainte par les hétérogénéités géologiques. Les failles, principales hétérogénéités structurales, sont des objets tridimensionnels à la géométrie complexe, multi-composante (Core Zone, Damage Zone). Elles ont des propriétés pétrophysiques variables, fonction des conditions de formations et de jeu. L'impact de ces structures sur les écoulements dans les hydrosystèmes karstiques est une problématique scientifique majeure.

L'aquifère de Fontaine de Vaucluse (FdV) (SE France) représente un cas d'étude de premier ordre pour : il s'agit d'un système ayant un bassin d'alimentation de plus de 1100 km², présentant une grande complexité géologique. Celle-ci s'explique autant par les aspects sédimentologiques (variabilité de faciès et diagenèse à l'échelle d'une plate-forme carbonatée, contrôlant les propriétés matricielles), que géodynamiques (nombreux épisodes successifs de déformation, types et familles de failles).

​Objectif principal​​

L'objectif de ce travail est de déterminer l'impact des hétérogénéités géologiques sur les écoulements et la ressource en eau en système karstique.

• Quelles sont les hétérogénéités structurantes pour les écoulements ?
• Quels sont les liens entre ces hétérogénéités ? 
• Induisent elles une compartimentation de l'aquifère ?

Intro Jérémie Rinaudo 

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Faille Jérémie Rinaudo 

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Approche méthodologique​

Notre approche a consisté à : (i) réaliser une cartographie structurale du système à partir des linéaments identifiés grâce au données lidar et aux photos satellites ; (ii) affiner cette première esquisse par l'étude de 45 affleurements représentatifs permettant de caractériser le rôle de ces hétérogénéités sur les écoulements, à l'échelle locale ; (iii) valider nos premières hypothèses à l'échelle locale; (iv) étendre le rôle de ces hétérogénéités à l'ensemble de l'impluvium afin de dresser une carte hydro-structurale.

Approche Jérémie Rinaudo

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Etudes d'affleurements Jérémie Rinaudo 

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Résultats essentiels et contributions

Les résultats de ce travail mettent en évidence la compartimentation de l'aquifère de FdV. Les différentes familles de failles ont un rôle prépondérant dans la structuration des écoulements et donc dans le fonctionnement hydrogéologique du système. C'est notamment le cas des fossés d'effondrements (N 30°) et des failles majeures du plateau d'Albion (N 140°) qui sont barrière aux écoulements transverses mais drainants aux écoulements parallèles. A terme, une modélisation numérique intégrant les différentes données géologiques et hydrogéologique permettra de valider les modèles conceptuels hydrogéologiques ; et ceux à l'échelle de l'hydrosystème en tentant de reproduire les débits de la Fontaine de Vaucluse.

Vers un modèle Jérémie Rinaudo 

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