Variabilité spatio-temporelle du fonctionnement d'un aquifère karstique du Dogger : suivis hydrodynamiques et géochimiques multifréquences ; traitement du signal des réponses physiques et géochimiques

Spatio-temporal variability processes in a karst aquifer of Dogger : multi frequency monitoring of hydrodynamic and geochemical parameters ; signal processing of physical and geochemical responses

• Auteur / Autrice : Célestine Delbart
• Direction : Florent Barbecot
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de la Terre
• Date : Soutenance le 02/12/2013
• Etablissement(s) : Paris 11
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Modélisation et Instrumentation en Physique, Energie, Géosciences et Environnement (Orsay, Essonne ; 2010-2015)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Commissariat à l’énergie atomique et aux énergies alternatives (Arpajon). Direction des application militaires Île-de-France - Structure et fonctionnement des systèmes hydriques continentaux (Paris)
• Jury : Président / Présidente : Christelle Marlin
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Florent Barbecot, Christelle Marlin, Patrick Lachassagne, Nicolas Massei, Marie Larocque, Olivier Atteia, Danièle Valdes
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Patrick Lachassagne, Nicolas Massei

Mots clés

Mots clés contrôlés

Séries chronologiques

Traceurs de l'eau souterraine

Hydrologie karstique

Mots clés libres

Aquifère karstique

Traceurs géochimiques et isotopiques

Analyses de séries temporelle

Corrélation croisée coulissant

Karst aquifer

Geochemical and isotopic tracers

Time series analyses

Sliding cross-correlation method

Résumé

Les aquifères karstiques sont parmi les milieux souterrains les plus difficiles à caractériser. Ils sont connus pour avoir des réponses complexes aux événements pluvieux en raison de l’hétérogénéité de la porosité allant de la porosité matricielle (micro-porosité) à la porosité de conduits (macro-porosité). La porosité de conduits génère des vitesses de transfert élevées au sein de l’aquifère, à l'origine de la vulnérabilité des aquifères karstiques. L'objectif de cette thèse est de définir les modalités du transfert de l'eau et des solutés au sein d'un aquifère karstique du Dogger situé en Bourgogne. Deux approches complémentaires ont été utilisées: (i) l'analyse de chroniques piézométriques et débitmétriques à partir d'outils de traitement du signal et (ii) une caractérisation géochimique et isotopique des eaux souterraines basée sur l'utilisation d'une large palette de traceurs, notamment des traceurs de datation. Ces deux approches ont été appliquées à différentes échelles temporelles: un suivi haute fréquence (jusqu'à 1h) lors de pics de crue pour étudier les transferts rapides et un suivi à long terme (pluri-annuel) pour caractériser les transferts lents et étudier la variabilité saisonnière des modalités d'écoulement. Ce travail a permis de mettre en évidence une très large distribution des temps de résidence de l’eau souterraine, de quelques heures, lors d’événements de crue souligné par des temps de réponse pluie-niveau piézométrique faible (inférieurs à 70 h) à quelques années pour l’écoulement de base mis en évidence par l’utilisation de traceurs de datation (39Kr, CFC-12 et SF6). En réponse aux précipitations, différentes masses d'eau ont pu être décrites: (i) une eau à vitesse d’écoulement lente, qui correspond à l’écoulement de base mis en évidence par l'utilisation des traceurs de datation; (ii) une eau de recharge rapide dont le temps de résidence au sein de l'aquifère varie, selon les porosités empruntées, de quelques heures à quelques jours soulignés grâce au suivi en continu de la conductivité électrique, des éléments majeurs et du tritium; et (iii) des eaux stockées au sein de la zone non saturée, remobilisées lors de pics de crue mises en évidence par la variation des compositions géochimiques en tritium et Ca2+ des eaux souterraines lors de pics de crue. Malgré une forte hétérogénéité des processus d'écoulement, une logique spatiale des écoulements rapides apparaît. Le temps de réponse du niveau piézométrique à un événement pluvieux et le temps de résidence augmentent vers l’aval du dôme hydrogéologique. L'étude temporelle de la réponse impulsionnelle par la méthode du corrélogramme croisé coulissant montre que le temps de réponse varie de façon saisonnière, et est plus court en été. La variation du temps de réponse pour un forage entre été et hiver est significative et peut atteindre une centaine d’heures. Cette variabilité temporelle s'explique en partie par une variabilité de l'intensité des pluies (plus importantes en été) qui induit une variation des mécanismes d'écoulement au sein de l'épikarst. Lors d'événements de pluie intense, la saturation de l'épikarst est plus importante provocant des transferts latéraux en son sein et permettant de transférer les eaux vers les conduits les plus ouverts.

Karst aquifers are among the most difficult to characterize. They are known for their complex hydrological responses to rainfall events due to the high heterogeneity of their porosity, going from matrix conduit porosity. The porosity of conduit induces a high transfer velocity in the aquifer which is the cause of the karst aquifer vulnerability. The objective of this study is to define the modes of water transfer and solute in a karst aquifer of Dogger in Burgundy. Two complementary methods are used: (i) the analyse of piezometric and debitmetric time series, and (ii) the geochemical and isotopic characterization of groundwater based on the using of large panel of tracers, notably some dating tracers. These two methods are applied at different temporal scales: a high frequency monitoring (1 hour time step) during discharge event to study fast water transfer and a long time monitoring to characterize slow water transfer and study the seasonal variability of water transfer processes. This study highlights a large distribution of residence time of groundwater, from several hours during a recharge event, underlined by short response time rainfall-piezometric level (less to 70 hours) to several years for the baseflow showed by the using of dating tracers (39Kr, CFC-12 et SF6). In response to rainfall events, several water bodies are described. The first one, with slow transfer velocity, corresponds to the baseflow and is showed by dating tracers. The second one, with a direct recharge and a residence time in the karst aquifer that varies with the porosity from several hours to several days, is described by a continous monitoring of electrical conductivity, majors elements and tritium. Finally, the water stored in the unsaturated zone, remobilized during recharge events, is revealed by the variation of geochemical composition in tritium and Ca2+ in groundwater during recharge events. Despite of the high heterogeneity of water transfer processes, the fast water transfer is spatially organized. The response time of piezometric level to rainfall events and the residence time increase toward the hydrogeological downhill. The temporal study of the impulse response using the method of the sliding-window cross-correlation shows that the response time varies seasonally, being shorter during the summer. The variability of the response time is significant, up to a hundred hours. This temporal variability could be explained in part by a variability of the rainfall intensity which induces a variability of water flow processes in the epikarst. During intensive rainfall, the saturation of the epikarst is higher which induces lateral transfers and allows transferring water toward large conduits.