Les processus de transfert d’eau et de dioxyde de carbone dans l’épikarst. Aide à la conservation des grottes ornées par le développement de nouvelles méthodologies pour l’étude de l’environnement des cavités - Application à la grotte de Lascaux [B. Lopez, 2009]

Titre de la thèse : « Les processus de transfert d’eau et de dioxyde de carbone dans l’épikarst. Aide à la conservation des grottes ornées par le développement de nouvelles méthodologies pour l’étude de l’environnement des cavités - Application à la grotte de Lascaux  » par Benjamin Lopez

Thèse de Doctorat - Université de Bordeaux 1 (2009), 384p.
Directeur : Alain Denis et Roland Lastennet

La soutenance de thèse s’est déroulée le 25 mai 2009.

Résumé : Il est communément admis que la recharge des aquifères   carbonatés est contrôlée par la zone non saturée, siège d’une mise à l’équilibre des phases liquides, solides et gazeuses. L’épikarst, zone superficielle de ces aquifères  , recueille les pluies efficaces et les transfère en profondeur via une double porosité   de fissure et de fracture. Des épandages détritiques   sablo-argileux fossilisent souvent les paléo-reliefs, changeant ainsi les caractéristiques des zones d’infiltration. Toutefois, les données sur ces dépôts superficiels sont rares, et leur impact sur les modalités de recharge en contexte karstique   est aujourd’hui mal connu et peu décrit. La célèbre grotte préhistorique ornée de Lascaux offre une fenêtre d’observation à l’intérieur de l’épikarst et constitue ainsi un site privilégié pour le suivi des processus de transferts. La grotte fait partie d’un réseau karstique   fossile partiellement comblé par du matériel détritique   sablo-argileux. Les parties basses de la cavité montrent des fortes teneurs en CO₂ dans l’air, supérieures à 8% (80 000 ppmv) lors de certaines périodes estivales. Cette thèse propose une étude des caractéristiques de l’infiltration en milieu karstique   grâce au suivi des variations chimiques et isotopiques d’une émergence épikarstique au plafond de l’entrée de la grotte. Les principaux objectifs sont la compréhension de la dynamique des fluides en transit dans l’épikarst, la recherche de la source des fortes teneurs en CO₂ ainsi que la détermination du rôle des épandages détritiques   dans les modalités de recharge de l’aquifère   karstique  . Après avoir mené une étude approfondie de l’environnement géologique et géomorphologique du site, l’analyse hydroclimatique, combinée au suivi bimensuel de la chimie et des variations isotopiques des eaux épikarstiques, a permis d’investiguer le fonctionnement de la zone d’infiltration du karst   d’un point de vue des transferts de masse. Les premières observations montrent que l’émergence épikarstique n’est pas pérenne avec un tarissement qui débute au début de l’été. Le système nécessite environ 250 mm de recharge automnale pour se réactiver. Le signal à l’émergence est fortement amorti comparé au signal dans les pluies, ce qui démontre la création d’une réserve épikarstique qui conduit à l’homogénéisation chimique des eaux. Ainsi, les transferts de masse sont lents dans ce système caractérisé par un comportement de type fissuré et non karstique  . Les données de 13C collectées à l’émergence permettent de retracer les conditions physico-chimiques qu’ont rencontrées les eaux au cours de leur transit. Elles montrent différentes origines possible de l’infiltration et révèlent des phénomènes de dégazage – précipitation lors des périodes de fortes pluies.De plus, les eaux épikarstiques sont fortement sursaturées vis-à-vis de la calcite et leur forte minéralisation résulte de la mise à l’équilibre avec une pCO₂ importante (5% en moyenne). De telles valeurs ne correspondent pas à la production de CO₂ du sol. L’autre origine supposée est les épandages détritiques   sablo-argileux où des teneurs importantes en CO₂ ont été mesurées (pCO₂ air de 4 à 8%). De plus, la présence d’eau dans ces niveaux suggère que le système est en partie alimenté par ces formations. Ainsi, le transit des eaux au travers de milieux aux conditions physico-chimiques très contrastées pourrait être à l’origine de la sursaturation des eaux qui entrent dans la cavité. Enfin, l’étude montre que les épandages détritiques   tiennent deux rôles majeurs dans les processus d’infiltration des eaux : (i) ils participent à leur homogénéisation en les stockant proche du sol et (ii) ils fournissent un fort potentiel de karstification au système.

Mots-clés : CO² - Conservation Eau - Chimie - Epikarst - Hydrochimie Hydrodynamique - Hydrologie karstique   - Lascaux - Protection - Recharge karstique   - Traçage naturel - Éochimie isotopique