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

par Benjamin Lopez

Thèse de doctorat en Géoressources, patrimoines et environnements

Sous la direction de Alain Denis et de Roland Lastennet.

Soutenue le 25-05-2009

à Bordeaux 1 , dans le cadre de École doctorale Sciences et Environnements (Pessac, Gironde) , en partenariat avec Laboratoire Géosciences hydrosciences matériaux constructions (laboratoire) .

Le président du jury était Jean-Michel Geneste.

Le jury était composé de Philippe Malaurent, Christophe Emblanch, Alain Rieu.

Les rapporteurs étaient Jacques-Noël Mudry, Bartolomé Andreo-Navarro.


  • 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 mener 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 18O à l’émergence est fortement amorti comparé au signal 18O 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 (pCO2air 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 contrastés 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.


  • Résumé

    It is widely recognized that the recharge of deep carbonated aquifers is controlled by a non saturated zone in which liquids, solids and gases are exchanged to attain equilibrium. The epikarstic zone, which represents the bottom of these aquifers, collects the efficient rain waters and transfers them deeper through a dual fractured and fissured porosity. Sandy-clayey detritic coatings are often observed to fossilize the paleo-relief changing the features of the infiltration zones. However, field data on these superficial deposits are sparse and their impact on the recharge modalities in karstic context is not yet well known and described.The famous prehistoric painted cave of Lascaux (France) provides a window into the epikarstic system and offers a privileged environment for the monitoring of transfer processes. The Lascaux cave is part of a fossil karstic network partly filled with detritic material and it is known to have high CO2 concentrations, greater than 8% (80,000 ppmv) in some summer periods, when measured in the air of the lower parts of the cave. Here, we study the epikarstic seepage traits monitoring the chemical and isotopic variations in waters which seep from the entrance roof of the cave. The aims of this work are to understand the dynamics of the fluids in the epikarstic system, to find the source of the high CO2 concentrations measured into the cave and to understand how the detritic coatings impact on the recharge modalities. After carried out an in-depth geological and geomorphological study of the site, the use of hydroclimatic analysis combined with the semi-monthly hydrochemical and isotopic monitoring of the epikarstic waters allowed us to investigate the karstic infiltration zone functioning in term of matter transfer. First, we observed that the epikarstic emergence is non perennial and dries up at the beginning of summer. The system needs an approximately 250 mm recharge in autumn before seeing flows at the emergence. The 18O signal at the emergence is highly amortized compared to the rain 18O signal which reveals the creation of an epikarstic water table that chemically homogenises waters. Thus, the mass transfers are slow in this system characterized by a fissured and nonkarstic behaviour type. The 13C data obtained at the epikarstic emergence seem to characterize the physicochemical conditions of the environments in which waters circulate during their transit in the system. They confirm the possible various origins of waters and reveal degassing – precipitation phenomena during rising periods.Moreover, épikarstic waters are always supersaturated with respect to the calcite and the the high bicarbonates and calcium concentrations result from water equilibrate with an important pCO2 at saturated state (5% on average). Such values of pCO2 do not correspond to the soil CO2 production. The other supposed origin is the sandy clayey detritic formations where we measured important pCO2 (data range from 4 to 8% in the atmosphere of the coatings). Furthermore, the presence of water in the sandy levels of the coatings suggests that the system can be partly fed by these formations. The transit of water through two physicochemicaly highly contrasted environments would be at the origin of the general flows supersaturation state in the cave.Finally, the study shows that the detritic coatings are involved in two aspects of the epikarstic waters run-off conditions: (i) they homogenize them while retaining near to the soil and (ii) give to them a very high karstification potential.


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