Apport de la tomographie par Résonance Magnétique des Protons pour améliorer la prise en compte du changement d'échelle et des hétérogénéités dans les modèles des transferts hydriques dans la zone non saturée

Contribution of Magnetic Resonance Sounding investigations for improving the consideration of scale effects and underground heterogeneities in hydrologic transfer models in the vadose zone

• Auteur / Autrice : Clémence Ryckebusch
• Direction : Mohamed Azaroual, Anatoli Legchenko
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de l'Univers. Hydro-géophysique
• Date : Soutenance le 05/12/2024
• Etablissement(s) : Orléans
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Énergie, Matériaux, Sciences de la Terre et de l'Univers (Centre-Val de Loire ; 2012-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut des sciences de la terre d'Orléans (2010-....)
• Jury : Président / Présidente : Nathalie Dörfliger
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Céline Duwig, Pauline Kessouri, Yan Chen
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Jean-François Girard, Konstantinos Chalikakis

Mots clés

Mots clés contrôlés

Hydrologie karstique

Hydrogéophysique

Teneur en nitrates

Aquifères

Beauce (France)

Sols calcaires

Zone d'aération

Résonance magnétique du proton

Mots clés libres

Résonance magnétique protonique

Calcaires de Beauce

Hétérogénéité spatiale

Effet d'échelle

Magnetic resonance sounding

Beauce limestone

Spatial heterogeneities

Scale effect

Résumé

L'Aquifère de Beauce, l'un des territoires les plus cultivés de France, est sujet à une problématique d'infiltration des nitrates. Les flux de la zone non saturée (ZNS) sont souvent vus comme une recharge moyenne avec un temps de transfert. Cependant, dans les milieux carbonatés comme l'Aquifère de Beauce, il existe aussi des flux rapides associés aux fractures/karsts. La problématique de la thèse est d'améliorer la connaissance des flux hydriques, vecteurs de pollution, dans la ZNS de l'Aquifère de Beauce par des méthodes géophysiques en caractérisant les hétérogénéités locales, en définissant les conditions de suivi du stock d'eau dans la ZNS et en proposant un modèle amélioré des transferts hydriques de la ZNS à l'échelle décamétrique sur le site d'étude. L'interprétation jointe des teneurs en eau mesurées par résonance magnétique nucléaire en surface 3D (SNMR), en forage (BNMR), des résistivités électriques (surface 3D et forage) et des chargeabilités (surface 3D) a permis : 1) d'améliorer la description du site d'étude en identifiant des variations métriques de lithologie et teneur en eau, inexistantes à ce jour, dans les calcaires saturés (fracturation variable, karst) et non saturés (calcaire argileux), aboutissant à un nouveau modèle lithologique « hydro-géophysique » du site. 2) De proposer un modèle de teneur en eau, inexistant à ce jour, mesurable par SNMR et BNMR, permettant de simuler la réponse SNMR à une augmentation de la hauteur d'eau avec la recharge. La mesure, inversion et interprétation d'un suivi de teneur en eau SNMR, comparé aux données existantes, montre que le stock d'eau dans la ZNS peut être suivi par SNMR pendant les phases de recharge des cycles pluriannuels. Le modèle de teneur en eau décamétrique pourra servir de base pour simuler numériquement la dynamique de la ZNS, calé sur un suivi de stock d'eau par SNMR.

The Beauce aquifer, one of the most cultivated area in France, is subject to an issue of nitrate contamination. Vadose zone water flows are often viewed as a mean recharge with a transition time. However, in carbonate medium like the Beauce aquifer, there are also fast flows related to cracks/karsts. The scientific question of this PhD is to improve the knowledge of water flows, contamination vectors, in the Beauce Aquifer vadose zone with geophysical methods by characterizing local heterogeneities, by identifying the conditions to monitor the vadose zone water stock, and by proposing an improved model of the vadose zone water flows, at decametric scale, on the study site. The cross interpretation of water content measured by surface and borehole nuclear magnetic resonance (SNMR in 3D and BNMR), electrical resistivity (surface 3D and borehole) and chargeability (surface 3D) allowed to: 1) improve the study site description by identifying the metric lithological and water content variations, inexistent to date, in the saturated (variable fracturing, karst) and unsaturated (clayey limestone) limestone. That led to a new hydro-geophysical lithology model of the site. 2) To propose a water content model, inexistent to date, measurable by SNMR and BNMR, allowing simulating the SNMR response to a water column increase with the recharge. The measurement, inversion and interpretation of a SNMR water content vadose zone monitoring, compared to existing data, shows that the vadose zone water stock can be monitored with SNMR during the recharge phases of the plurennial cycles. The decametric water content model will be a basis to simulate numerically the vadose zone dynamic, adjusted with a SNMR water content monitoring.