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
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-....) |
Laboratoire : Laboratoire Chrono-environnement / LCE | |
Jury : | Président / Présidente : Jean-Philippe Malet |
Examinateurs / Examinatrices : Laurent Stehly, Benoît Valley | |
Rapporteurs / Rapporteuses : Cécile Doubre, Cédric Champollion |
Mots clés
Mots clés contrôlés
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.