Développement d'une approche intégrée en hydro-géophysique pour l'étude multi-échelle des réservoirs karstiques : le cas du bassin versant de Fourbanne dans le massif du Jura

Development of an integrated approach in hydrogeophysics for a multi-scale study of karst reservoirs : the case of the Fourbanne watershed, Jura mountains

• Auteur / Autrice : Anthony Abi Nader
• Direction : Christian Sue, Julie Albaric
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Géodynamique des enveloppes supérieures
• Date : Soutenance le 11/12/2023
• Etablissement(s) : Bourgogne Franche-Comté
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Environnements, Santé
• Partenaire(s) de recherche : établissement de préparation : Université de Franche-Comté (1971-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Chrono-environnement / LCE
• Jury : Président / Présidente : Jean-Philippe Malet
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Laurent Stehly, Benoît Valley
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Cécile Doubre, Cédric Champollion

Mots clés

Mots clés contrôlés

Hydrogéophysique

Jura (France ; massif)

Hydrologie karstique

Mots clés libres

Karst

Hydrogéophysique

Intelligence artificielle

Sismologie

Fibre optique

Karst

Hydrogeophysics

Machine learning

Seismology

Fiber optics

Résumé

Comprendre le fonctionnement des aquifères karstiques est essentiel pour une gestion efficace des ressources en eau. La variabilité intrinsèque des terrains karstiques résulte de la dissolution de roches solubles telles que le calcaire, ce qui donne lieu à un réseau complexe et interconnecté de pertes, grottes, conduits souterrains et de dolines. Ce travail se concentre sur le bassin versant karstique de Fourbanne (montagnes du Jura, France), qui abrite un conduit souterrain principal, accessible par un puit artificiel de 20m. Différentes approches complémentaires sont proposées pour mieux caractériser le site étudié en s'appuyant sur l'analyse conjointe de données géophysiques et hydrologéologiques. Deux axes principaux sont développés : (1) l'étude de l’hydrodynamique de la rivière souterraine et (2) l'étude 2D des variations de saturation et des transferts d'eau en réponse aux précipitations, à l'échelle du bassin versant. Le monitoring continu de la rivière souterraine est assuré par plusieurs instruments : deux sismomètres (situés à la surface et dans le conduit souterrain), des sondes hydrologiques et une fibre optique pour la température. Nous proposons tout d'abord une nouvelle approche basée sur un algorithme d'intelligence artificielle, le Random Forests (RF) et le bruit sismique, pour prédire la hauteur d'eau de la rivière souterraine. Nous utilisons les données enregistrées par les sismomètres permanents et obtenons une prédiction avec une efficacité de 95% et 53% avec les sismomètres souterrain et de surface, respectivement. Le modèle RF s'avère être une méthode fiable pour le suivi à distance des hauteurs d'eau, même avec de faibles signaux induits par la rivière. Dans un deuxième temps, nous utilisons la méthode FO-DTS (Fiber Optic Distributed Temperature Sensing) pour étudier les changements de température dans le réservoir karstique et améliorer notre compréhension des processus de recharge. Nous étudions en détail la réponse de la température de la rivière et de l'un de ses affluents aux changements atmosphériques en utilisant des données hydrogéophysiques enregistrées pendant 6 mois. Nous montrons que les précipitations induisent des changements dans la température de la rivière. Lorsque la hauteur d'eau augmente, elle s'écoule dans le(s) conduit(s) adjacent(s), repoussant dans l'affluent l'eau stockée depuis longtemps dans un réservoir. Une recharge locale alimente l'affluent, potentiellement avec de l'eau infiltrée depuis l'épikarst à travers le système de fractures ~E-W. Concernant le deuxième axe, nous utilisons le sismomètre situé dans le conduit et un réseau sismique dense de 60 nodes, déployé pour une période de 4 mois. A partir de l'autocorrélation du bruit sismique ambiant, nous mesurons les variations relatives de vitesse des ondes sismiques (dv/v). L'analyse des données long terme (4 ans) issues de la station permanente révèle des variations saisonnières générées par le changement de saturation entre les saisons humides et sèches. Les variations de vitesse et les précipitations sont concomitantes, ce qui indique des mécanismes d'infiltration rapide dans des milieux très fracturés. L'autocorrélation, en utilisant le réseau dense, génère des variations de vitesse anisotropes, donnant un aperçu de la nature complexe et hétérogène du site étudié. Les résultats montrent que les directions d'écoulement préférentiel sont très variables dans le karst. Finalement, les résultats de cette thèse offrent de nouvelles perspectives pour le suivi des réservoirs karstiques à l'aide des techniques hydrogéophysiques, soulignant le rôle prépondérant que ces techniques peuvent jouer dans l’étude de systèmes fortement hétérogènes.

Understanding the functioning of karst aquifers is essential for effective groundwater resource management and environmental protection. The intrinsic variability in karst terrain arises from the dissolution of soluble rocks like limestone, resulting in an intricate and interconnected network of fractures, sinkholes, caves, underground conduits, and surface depressions. This study focuses on the Fourbanne karstic watershed (Jura Mountains, France), hosting one main underground conduit accessible through a 20 m drilled shaft. This thesis offers various complementary approaches to better characterize the studied site while drawing upon different principles and analyzing jointly geophysical and hydrogeological data. Two main axes are developed: (1) study of the hydrodynamic functioning of the underground river and (2) study the 2D watershed's response to rainfall in terms of saturation and flow patterns. The underground river is continuously monitored by two long term broadband seismometers (located at the surface and underground), hydrogeological probes and a fiber optic cable for temperature measurements. We first propose a new approach based on a machine learning algorithm, the Random Forests (RF), and seismic noise recordings, to predict the underground river water height. We use data recorded from both of the long-term seismometers and yield a prediction with an efficiency above 95% and 53% for data from the underground and surface seismometers, respectively. The RF model proves to be a reliable method for remote monitoring of the water heights, even with weak river-induced signals. In a second step, we use Fiber Optic Distributed Temperature Sensing to survey temperature changes in the karst reservoir to improve our understanding of its recharge processes. We investigate in detail the temperature response of the river and one of its affluent to atmospheric changes based on a 6 months hydrogeophysical dataset. We show that precipitation events induce change in the river temperature. When the water height increases, it flows into adjacent conduit(s), pushing out long residence water stored in a reservoir/sink into the affluent. A local recharge is feeding the affluent, potentially with water infiltrating from the epikarst through ~E-W fracture system. In the second axis, we use the seismometer located underground and a dense seismic array of 60 nodes, deployed in the framework of this project for a period of 4 months, and compute single station cross-component correlations to recover seismic velocity variations. The objective is to monitor the long-term groundwater variations using 4 years data recorded at the underground seismometer, and investigate the groundwater circulation on the watershed scale as direct response to precipitation using the seismic array. The long-term analysis reveals seasonal variations generated by change in saturation between wet and dry seasons. Velocity variation and precipitation are concomitant, indicating fast infiltration mechanisms in highly fractured media. The seismic array yields anisotropic results, giving insight into the complex and heterogeneous nature of the studied site. The results show preferential flow patterns directions are highly variable within the karst. Finally, the results of this thesis provide new insights into the monitoring of karst reservoirs through hydrogeophysical techniques, highlighting the crucial role these techniques may play in studying such heterogeneous systems.