Origine, caractérisation et distribution prédictive des structures karstiques : de la karstologie aux modèles numériques 3D

Origin, characterization and predictive distribution of karst structures

• Auteur / Autrice : Johan Jouves
• Direction : Yves Guglielmi, Sophie Viseur
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Géosciences de l'environnement
• Date : Soutenance le 14/05/2018
• Etablissement(s) : Aix-Marseille
• Ecole(s) doctorale(s) : École Doctorale Sciences de l'environnement (Aix-en-Provence)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : CEREGE Centre Européen de Recherche et d’Enseignement des Géosciences de l’Environnement (Aix-en-Provence ; 1995-....)
• Jury : Président / Présidente : Nicolas Massei
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Stéphane Jaillet, Pauline Collon, Hubert Camus, Nicolas Rampnoux, Laurent Cadilhac
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Philippe Audra

Mots clés

Mots clés contrôlés

Modélisation tridimensionnelle

Géostatistique

Mécanique des fluides

Hydrologie karstique

Mots clés libres

Karst

Spéléogenèse

Géostatistique

Simulation stochastiques

Géométrie

Topologie

Karst

Speleogenesis

Geostatistics

Stochastic simulation

Geometry

Topology

Résumé

Les réseaux karstiques s'organisent de manière hiérarchique et se comportent comme des drains pour l'écoulement des fluides souterrains. Cependant seule une partie limitée de ces réseaux karstiques est généralement humainement observable, et la connaissance globale d'un système reste limitée. Les simulations géostatistiques représentent un moyen d’étudier les différentes configurations des réseaux karstiques tridimensionnels (3D) probables et ainsi de déterminer les incertitudes sur le comportement du réservoir. Établir une telle démarche nécessite de comprendre les étapes de structuration d'un karst donné à partir de déterminations karstologiques permettant d'identifier la morphogenèse des formes exo- et endokarstique et de reconstituer l'évolution spéléogénétique d'un massif (spéléogenèse épigène ou hypogène, évolution du niveau de base, etc.). Cela a permis de définir une zonation de l'occurrence de l'organisation des structures karstiques (zone vadose, épiphréatique ou phréatique). En parallèle, l'analyse quantitative de géométries et de topologies de données 3D de cavités analogues a permis de comparer les différentes structures de réseaux karstiques et de fournir une base de données quantitative de caractéristiques morphologiques de cavités en fonction de processus spéléogénétiques. Deux approches géostatistiques ont été testées pour la simulation stochastique de réseaux karstiques. Elles reposent sur l'utilisation de méthodes classiques de géostatistiques basées-pixel : la simulation séquentielle d’indicatrice (SIS) et les simulations multipoints (MPS).

Karst networks are hierarchically organized and behave as drains for underground fluid flows. However, the humanly observed karst conduits represent only a limited part of the complete karst conduit system, and overall knowledge remains limited. Geostatistical stochastic simulations represent an interesting tool to study the different three-dimensional (3D) probable configurations of karst networks and then, to determine the uncertainties on the reservoir behaviors. This approach first requires understanding the successive stages of karst structuring of a reservoir and then to numerically reconstruct the 3D organization of karst structures. From karstological determinations, it is possible to identify the morphogenesis of the exo- and endokarst forms and to reconstitute the speleogenetic evolution of a massif (epigenic or hypogenic speleogenesis, evolution of the basic level, etc.). The speleogenetic reconstitutions then make it possible to identify the successive phases of the karst system structuration (epigenic or hypogenic speleogenesis, evolution of base level, etc.). In parallel, a quantitative analysis of the geometries and the topologies performed on 3D cave surveys permits to compare the different organizations of the karst network patterns, related to speleogenetic processes. This morphometric analysis provides a quantitative database of morphological characteristics according to their speleogenetic processes. Finally, two geostatistical approaches were tested to generate karst networks. They correspond to two classical pixel-based geostatistical methods: the sequential indicator simulation (SIS) and the multipoint simulations (MPS).