Apports des équilibres calco-carboniques et du carbone 13 pour l’étude de l’air et des écoulements d’eau dans la zone non saturée du karst . Application au système karstique perché de la grotte de Cussac
Thèse Nicolas Peyraube, 2011
La protection de la grotte ornée de Cussac, inventée en 2000, se base en partie sur la compréhension de ses relations avec le massif karstique et des conditions d’écoulement dans la zone non saturée des eaux liées à la cavité.
Nous bénéficions à Cussac d’un accès à plusieurs écoulements provenant de différentes parties de la Zone Non Saturée (ZNS) et d’une petite zone saturée ainsi que de la présence d’une grotte interceptant des écoulements à l’intérieur du massif. Les paramètres aérologiques de la cavité dont la pression partielle de CO2 (pCO2) et la température ont fait l’objet d’un suivi depuis 2003 pour élaborer un modèle simple de ses relations avec l’atmosphère extérieure et l’atmosphère de la ZNS.
Une première partie de l’étude est consacrée à la caractérisation des écoulements par le suivi
hydrochimique et hydrodynamique depuis 2008. Elle aboutit à un schéma général du fonctionnement du système karstique perché de Cussac.
Au-delà de l’utilisation des outils classiques pour l’étude des aquifères karstiques nous avons souhaité étudier les écoulements hydrologique et aérologique à travers l’une des spécificités du système karstique : l’interdépendance des phases gazeuse, liquide et solide.
Les échanges entre la roche, l’eau et la pCO2 de l’air de la ZNS ont été estimés à partir de l’utilisation des équations d’équilibre calco-carboniques. Le schéma de fonctionnement est enrichi par une vision conceptuelle des conditions d’écoulement et une localisation dans les différentes parties du massif des processus de dissolution et évasion de CO2 et de dissolution et précipitation de carbonate.
L’étude du d13C apporte des précisions sur l’évolution de la pCO2 dans la ZNS et dans
l’environnement particulier qu’est la cavité. La signature isotopique du CO2 de la ZNS est estimée à partir des mesures de d13C dans les eaux. Cela nécessite de prendre en compte les processus d’évolution du carbone minéral total dissout au cours des écoulements.
Etude de l’infiltration et de ses variations interannuelles en contexte épikarstique pour la caractérisation du fonctionnement des hydrosystèmes karstiques : utilisation de la méthode ISc-Pco2 et des modèles réservoirs. Thèse Sébastien Minvielle, 2015
L’infiltration correspond à l’ensemble des écoulements contribuant à la recharge des réserves des systèmes karstiques ou aux variations des débits à leurs exutoires. L’objectif de cette thèse est la caractérisation de l’infiltration et son utilisation dans l’étude des transferts pour la compréhension du fonctionnement des systèmes karstiques .
Deux sites sont utilisés pour analyser cette infiltration : celui de la colline de Lascaux en Dordogne et celui du Nord du Vaucluse en Provence composé de plusieurs sources karstiques . Ces sites, en milieu carbonaté, se différencient tant par leur structuration – système épikarstique et aquifère karstique perché, pour le premier, et systèmes épikarstique, fissuré ou karstiques à zone noyée, pour le second – que par les conditions climatiques rencontrées au niveau de leurs impluviums respectifs.
L’étude hydrodynamique des systèmes épikarstiques par les modèles réservoirs ne convient actuellement pas : la fonction de production ne permet pas la génération d’une infiltration satisfaisante. L’utilisation d’un modèle réservoir, initialement basé sur les équations de Coutagne, a permis de souligner la nécessité d’ajouter deux modules de calcul. Le premier concerne l’estimation d’une évapotranspiration effective, issue d’une loi exponentielle, considérant la hauteur d’eau dans le réservoir sol. Le deuxième module insiste sur l’utilité d’une fonction de stockage de l’épikarst pour caractériser au mieux les transferts vers l’aval du système.
L’étude hydrochimique s’appuie majoritairement sur les équilibres calco-carboniques de l’eau et donc sur les transferts de masses de carbone inorganique. Ils permettent d’accéder à différentes grandeurs telles que la pression partielle de dioxyde de carbone – équilibrante (Pco2_eq) ou à saturation (Pco2_sat) – et à l’indice de saturation vis-à-vis de la calcite (ISc). La mise en relation de ces deux paramètres au sein d’un graphique –log(Pco2) : ISc a permis de distinguer différents types d’eaux issus des différents compartiments du karst . Il en a résulté un schéma de transfert des différents types d’eaux passant à l’exutoire tenant compte de l’état d’ennoiement du système. L’évolution pluriannuelle de l’infiltration a aussi été mise en avant par la variation de sa composition chimique pouvant être en relation avec des facteurs
climatiques.
A l’issue de ce travail, il apparaît que la connaissance des processus liés à l’infiltration est fondamentale pour la compréhension des écoulements en milieux karstiques dans un objectif de quantification de la recharge et de protection de la ressource.
