Caractérisation de l’infiltration dans la grotte de Villars (Dordogne) par des méthodes géophysiques et isotopiques : Importance pour les études paléo-climatiques basées sur les spléléothèmes ainsi que pour la conservation des sites patrimoniaux

Characterization of the infiltration in the cave of Villars (Dordogne) by geophysical and isotopic methods : Importance for paleo-climatic studies based on speleothems as well as for the conservation of heritage sites

• Auteur / Autrice : Jian Zhang
• Direction : Dominique Genty, Colette Sirieix
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Géologie sédimentaire, paléocéanographie, climatologie
• Date : Soutenance le 26/06/2023
• Etablissement(s) : Bordeaux
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences et Environnements (Talence, Gironde ; 1999-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Environnements et Paléoenvironnements Océaniques et Continentaux (Talence, Gironde ; 1999-....)
• Jury : Président / Présidente : Bruno Lartiges
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : François Bourges, Laurent Bruxelles
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Bruno Lartiges, Konstantinos Chalikakis

Mots clés

Mots clés contrôlés

Aquifères karstiques

Eaux pluviales -- Infiltration

Dordogne (France)

Grottes

Mots clés libres

Précipitation

Rapports isotopiques

Modèle HYSPLIT

Sources d'humidité

Réservoirs karstiques

Infiltration

Zones non saturées

TRE

Géophysique

Taux d'égouttement

Grotte de Villars

Spéléothèmes

Sud-ouest de la France

Rainfall

Isotope ratios

HYSPLIT model

Moisture Sources

Karst reservoirs

Infiltration

Unsaturated zones

ERT

Geophysics

Drip rate

Villars Cave

Speleothems

Southwest France

Résumé

La géométrie du milieu environnant les grottes et les zones d'infiltration d’eau ainsi que les processus d'infiltration des précipitations dans les zones karstiques sont complexes et encore mal comprises. Ces connaissances sont pourtant cruciales pour l'interprétation des reconstructions climatiques basées sur les spéléothèmes, pour l’étude des recharges en eau des zones karstiques et pour la conservation du patrimoine des grottes préhistoriques. Afin d'approfondir nos connaissances sur ce sujet, nous avons choisi une grotte peu profonde typique (la grotte de Villars, dans le sud-ouest de la France) qui a été monitorée pendant des décennies et où de nombreuses études ont déjà été faites sur l'environnement actuel et sur les spéléothèmes. La première question sur laquelle nous avons travaillé concerne le signal d'entrée des précipitations au-dessus de la grotte de Villars. Quelle est la source des précipitations au-dessus de la grotte, et comment varie-t-elle ? Pour cela, nous avons utilisé un modèle de rétro-trajectoires atmosphériques (HYSPLIT) pour mieux comprendre les sources isotopiques de l'oxygène des précipitations (δ18O) et de l'eau d'infiltration. Les résultats ont révélé une saisonnalité bien marquée des sources pluviales (ici exprimées en pourcentage des sources d'humidité initiales (PSHI)) liées à la distance entre la grotte de Villars et les régions sources d'humidité, ainsi que des tendances à long terme. La deuxième question concerne la caractérisation de l'infiltration et de son évolution temporelle à partir de la composition isotopique de la pluie jusqu'à l'eau qui alimente les stalagmites. Nous avons utilisé à la fois un ensemble de données isotopiques à très long terme (>20 ans) combiné à un modèle conceptuel (KarstFor) qui mélange les flux d'eau et les isotopes pour mieux comprendre le processus d'infiltration karstique. Les résultats ont montré que les variations modélisées de la quantité d'eau de stockage et du débit d'infiltration coïncident avec les taux d'écoulement par égouttement observés sous les stalactites à deux niveaux différents de la grotte. Le fait que le modèle simule de manière frappante la différence isotopique faible, mais constante, entre les galeries supérieures et inférieures de la grotte de Villars, non seulement renforce le modèle lui-même, mais révèle également l'impact des voies d'infiltration multiples et de la dynamique du réservoir karstique sur le δ18O de l'eau d'égouttement. La troisième question portait sur la géométrie de la zone d'infiltration : réservoirs d'eau et voies d'écoulement préférentielles. Pour cela, nous avons appliqué la méthode de tomographie de la résistivité électrique en 2D (TRE) au-dessus de la grotte de Villars à un intervalle d’un à deux mois pendant trois ans (février 2020 à janvier 2023). A l'aide d'une approche statistique multidimensionnelle (classification hiérarchique ascendante, CHA), les images de TRE ont mis en évidence une saisonnalité marquée des variations de la résistivité dans différentes zones d’infiltration. Ceci nous a permis de visualiser des zones karstiques spécifiques caractérisées par leur résistivité et leurs variabilités de résistivité, conduisant à l'identification de galeries de grottes, de réservoirs de stockage d'eau, de fronts d’infiltration, de couches de sol et de chemins d'écoulement préférentiels potentiels jusqu'à 30 m de profondeur. En combinant la tomographie électrique, l’ hydrologie et les méthodes isotopiques, nous avons considérablement amélioré notre compréhension des écoulements et de la variabilité de l'écoulement de l'eau au-dessus de la grotte de Villars, ainsi que des processus de mélange dans les réservoirs qui alimentent les stalactites. Ces connaissances sont de première importance pour la préservation de l'environnement des grottes et pour la recherche paléoclimatique basée sur l’étude des spéléothèmes.

The geometry of caves and infiltration zones as well as the rainfall infiltration processes in karst areas are complex and still not completely understood. This knowledge is, however, crucial for the interpretation of speleothem-based climatic reconstructions, water sustainability, and heritage conservation. In order to deepen our knowledge on this topic, we choose a typical shallow cave (Villars Cave, SW-France) that has been monitored for decades and where numerous studies have been already made on both present-day environment and speleothem studies. The first question that we worked on was about the rainfall “input” signal above the Villars Cave. What is the source of the rainfall above the cave, and how does it vary? For that, we used a backtracking (HYSPLIT) model to better understand the rainfall original oxygen isotopic sources (δ18O) of the seepage water. Results revealed a well-marked seasonality of the rainfall sources and long-term trends, depending on the distance between Villars Cave and moisture source regions, expressed in the percentage of initial moisture sources (PIMS). The second question concerns the characterization of the infiltration and its time evolution using isotopic composition from the rainfall to the stalactite dripping water that feeds stalagmites. We used both a very long monitoring (>20 years) isotopic data set (of rainfall and dripping rates at a different level in this cave) combined with a conceptual model (KarstFor) that mixes water flows and isotopes to better understand the process of karst infiltration. Results showed that the modeled output variations in the quantity of storage water and infiltration flow coincide with the observed dripping discharge rates made under stalactites at two different gallery levels in the cave. The fact that the model strikingly simulates the small, but constant, isotopic difference between the upper and the lower galleries of Villars Cave, not only reinforces the model itself but also reveals the impact of multiple infiltration routes and karst reservoir dynamics on the drip-water δ18O. The third question focused on the geometry of the infiltration zone: water reservoirs and preferential flow routes. For that, we applied a 2D ERT (Electrical resistivity tomography) method above the Villars Cave at a one-two monthly interval during three years (February 2020 and January 2023). With the help of a multidimensional statistical approach (Hierarchical agglomerative clustering, HAC), ERT monitoring images revealed the seasonal variation of resistivity in different ERT regions. This allowed us to visualize specific karst zones characterized by their resistivity and their variability in resistivity, leading to the identification of cave galleries, water storage reservoirs, wetting fronts, soil layers and potential preferential flow paths as deep as 30 m. By combining ERT, hydrology and isotopic methods, we have significantly improved our understanding of the source and variability of the water flow above Villars Cave, as well as the mixing processes in the reservoirs that feed the stalactites. This knowledge is invaluable for the preservation of the cave environment and for speleothem- based paleoclimatic research.