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 (Dordogne, France)

The use of calco-carbonic equilibriums and carbon for water and air flow study in karst unsaturated zone : application on Cussac cave perched aquifer system (Dordogne, France)

• Auteur / Autrice : Nicolas Peyraube
• Direction : Alain Denis, Roland Lastennet
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Géoressources, patrimoines et environnements
• Date : Soutenance le 24/06/2011
• Etablissement(s) : Bordeaux 1
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences et Environnements (Talence, Gironde ; 1999-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de mécanique et d'ingénierie de Bordeaux (2011-....)
• Jury : Président / Présidente : Jacques Jaubert
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Christelle Batiot-Guilhe
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Christophe Emblanch, Jacques-Noël Mudry
• DOI : 10.70675/f14d8573z8d8dz46b1zad49z946ef1ec27ad

Mots clés

Mots clés contrôlés

Zone d'aération

Karst

Mécanique des fluides

Cussac, Grotte de (Dordogne)

Mots clés libres

Zone non saturée

PCO2

Carbone 13

Karst

Cussac

Unsaturated zone

PCO2

Carbon 13

Karst

Cussac

Résumé

La protection de la grotte ornée de Cussac, inventée en 2000, se base en partie sur la compréhensionde ses relations avec le massif karstique et des conditions d’écoulement dans la zone non saturée deseaux liées à la cavité.Nous bénéficions à Cussac d’un accès à plusieurs écoulements provenant de différentes parties de laZone Non Saturée (ZNS) et d’une petite zone saturée ainsi que de la présence d’une grotte interceptantdes écoulements à l’intérieur du massif. Les paramètres aérologiques de la cavité dont la pressionpartielle de CO2 (pCO2) et la température ont fait l’objet d’un suivi depuis 2003 pour élaborer unmodèle 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 suivihydrochimique et hydrodynamique depuis 2008. Elle aboutit à un schéma général du fonctionnementdu système karstique perché de Cussac.Au-delà de l’utilisation des outils classiques pour l’étude des aquifères karstiques nous avons souhaitéétudier les écoulements hydrologique et aérologique à travers l’une des spécificités du systèmekarstique : 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’utilisationdes équations d’équilibre calco-carboniques. Le schéma de fonctionnement est enrichi par une visionconceptuelle des conditions d’écoulement et une localisation dans les différentes parties du massif desprocessus de dissolution et évasion de CO2 et de dissolution et précipitation de carbonate.L’étude du delta13C apporte des précisions sur l’évolution de la pCO2 dans la ZNS et dansl’environnement particulier qu’est la cavité. La signature isotopique du CO2 de la ZNS est estimée àpartir des mesures de delta13C dans les eaux. Cela nécessite de prendre en compte les processusd’évolution du carbone minéral total dissout au cours des écoulements.

The protection of Cussac engraved cave, discovered in 2000, is based upon the comprehension of itsrelationship with the karstic system and flow conditions in the unsaturated zone (UZ) understanding.Cussac site gives access to several springs from different parts of the UZ and a small saturated area.The cave itself is accessible and allows interception of flow inside the karst environment. Aerologicparameters including CO2 partial pressure (pCO2) and temperature of the cave have been monitoredsince 2003 to build a simple model of its relations with external atmosphere air and UZ air.A first part of the work is dedicated to the characterisation of the flows by a monitoring since 2008 ofwater chemistry and dynamics. This part lead to a Cussac perched aquifer functioning general scheme.To complete these classical investigations we wished to define hydrologic and aerologic flows in karstaquifers using one of its specificity: interdependency of gaseous, liquid and solid phases.Exchanges between rock, water and pCO2 of the UZ are estimated using calco-carbonic equilibriumequations. Functioning scheme is enriched by a conceptual view of flow conditions and a localisationin the karst of the CO2 dissolution or evasion and carbonate dissolution or precipitation process.Precisions on pCO2 evolution in UZ and in the particular environment of the cave are given by d13C.Unsaturated Zone CO2 isotopic composition is estimated from d13C measurement in water. This needto take in account total dissolved inorganic carbon variations process.