Géologie des réservoirs karstiques : développement d'un outil méthodologique type SIG en 3D, exemple du Larzac sud (France)

Geology of karstic reservoirs : development of a 3D GIS-type methodological tool, example of the southern Larzac (France)

• Auteur / Autrice : Céline Baral
• Direction : Michel Seranne
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : STE-Sciences de la Terre
• Date : Inscription en doctorat le 01/12/2021
• Etablissement(s) : Université de Montpellier (2022-....)
• Ecole(s) doctorale(s) : Biodiversité, Agriculture, Alimentation, Environnement, Terre, Eau
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : GM - Géosciences Montpellier
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Géologie des Réservoirs et Ressources

Mots clés

Mots clés libres

Réservoirs karstiques

SIG en 3D

Structures karstiques

Gestion de données

Ressource en eau souterraine

Modélisation géologique

Karstic reservoirs

3d gis

Karstic structures

Data management

Groundwater resource

Geological modelling

Résumé

Contexte Dans un contexte global de changement climatique et de croissance démographique, la pression sur la ressource en eau s'accentue. Les karsts constituent une ressource stratégique en eau souterraine, en particulier pour les territoires méditerranéens. Une meilleure connaissance du fonctionnement hydrogéologique des systèmes karstiques actuels améliore l'approvisionnement en eau. Les récentes études fondées sur l'analyse de la formation des karsts en lien avec l'évolution géodynamique, ont permis une meilleure appréhension du fonctionnement hydrogéologique actuel, en fonction de l'héritage géologique des réservoirs carbonatés. La mise en évidence des nouveaux concepts d'altérations profondes au sein du massif carbonaté (« fantômisation ») a totalement renouvelé l'analyse de la genèse des karsts et de l'impact des héritages géologiques sur la structuration et le fonctionnement des systèmes karstiques actuels. Une approche développée par l'entreprise Cenote pour analyser les systèmes karstiques repose sur l'identification de 3 étapes successives de karstogenèse et de formation des systèmes karstiques : 1) altérations du réservoir (fantômisation et crypto-altération), 2) organisation du drainage de l'aquifère (structuration des réseaux karstiques), et 3) préservation les indicateurs morphosédimentaires et géochimiques de ces trois époques de la karstogenèse dans les grottes. Un premier obstacle à la compréhension et à la modélisation des réservoirs karstiques réside d'abord dans la distinction et la caractérisation des processus actifs lors de ces 3 étapes successives, par l'analyse géologique des systèmes karstiques actuels. Un deuxième obstacle réside en la difficulté d'intégrer et de corréler les données très hétérogènes (géomorphologiques, altérologiques, paléoclimatiques, volcanologiques, tectoniques, hydrologiques, sédimentologiques, stratigraphiques, etc…) à prendre en compte pour l'analyse karstologique. La mise en œuvre d'un outil permettant de concentrer, de représenter et d'analyser l'ensemble de ces données dans un environnement numérique cartographique (type SIG) et en 3 dimensions (type géomodeleur 3D) constitue une étape essentielle vers la compréhension du système et la modélisation hydrogéologique . Le projet abordera ces objectifs, scientifique et méthodologique, en étudiant des systèmes karstiques de la région bien documentée du sud-Larzac et des garrigues montpelliéraines, où les modèles de karstogénèse sont discutés, alors qu'elle fait l'objet d'un renouveau d'intérêt de la part des collectivités locales, avec des objectifs d'exploration prospective et de gestion durable de la ressource en eau. Objectif scientifique L'objectif scientifique général est la compréhension de la formation, du développement et du fonctionnement actuels d'un réservoir carbonaté affectées par la karstification, notamment parce qu'elle modifie de façon majeure les propriétés de ce réservoir et les conditions de circulation des fluides en son sein. Ces zones affectées par la karstification constituent un réservoir dit « karstique ». Plus spécifiquement, l'analyse comparée des réseaux karstiques de différentes zones de la bordure sud-Larzac permettra de déterminer le rôle des processus de la karstogenèse sur la morphologie actuelle des réseaux karstiques. L'analyse comparée des réseaux karstiques de différentes zones de la bordure sud-Larzac permettra de d'établir le rôle des processus de karstogenèse sur la morphologie actuelle des réseaux karstiques. Le canyon de la Vis tranche le réservoir en son centre. L'organisation des réseaux se caractérise par des géométries arborescentes développés aussi bien au-dessus qu'en dessous du talweg. Les flancs du canyon ne semblant pas recouper de niveaux de grottes, cet étagement particulier des niveaux de réseaux est interprété comme résultant d'une incision rapide, attribuée à la surrection du massif. La vallée de contact de l'Arre et les reculées de la Lergue présentent des organisations de réseau à motifs labyrinthiques. Ces localités sont situées en périphérie du réservoir (bordure de bassin), avec une remontée des imperméables à l'affleurement. Nous faisons l'hypothèse que l'extension de réseaux à motifs labyrinthiques résulte de la vidange des zones d'altération des couloirs fantômisés au fur et à mesure de l'érosion régressive basale des fonds de reculée, c'est-à-dire sans incision verticale, ou de faible ampleur. Objectif méthodologique L'objectif méthodologique principal de l'étude est de créer un cadre d'acquisition et d'intégration des données karstologiques dans un modèle 3D de réservoir karstique, réalisé sur la plateforme YouWol™. En pratique, on intègrera 1) des données d'acquisition de terrain (cartographie des formations et formes karstiques) ; 2) des données fournies par les pôles modélisation et acquisition 3D de l'entreprise ; 3) des données publiées (cartes géologiques, forages, gravimétrie, sismique passive, datations etc). Ceci permettra 1) une meilleure compréhension de l'architecture et de la séquence de formation des réservoirs karstiques actuels, dans un but académique ; et 2) de fournir un outil de travail (visualisation, analyse, modélisation) sur une base de données hétérogènes, dans un but technico-commercial pour l'entreprise.

Rationale Within the general context of global climate change and population growth, the tension on water resources drastically increases. Karst reservoirs make a strategic ground-water supply, especially for the Mediterranean regions. Better understanding of the present-day hydrogeology of karstic systems significantly improves and secures water supply. Recent studies based on the analysis of karst formation as a result of geodynamic evolution have led to a better understanding of the present-days karst hydrogeology, which depends on the inherited geological structures and evolution of the carbonate reservoirs. However, emergence of the new concepts of deep-seated weathering within the carbonate reservoir (e.g. “ghost-rocks”) has totally renewed the analyses of karst genesis and of the evaluation of the impact of geological inheritance on the hydrology of present-day karsts systems. The company Cenote has developed an original approach of karstic sytems analysis, based on the distinction of 3 successive stages in karst system development: 1) carbonate reservoir weathering (ghost-rock, weathering under-cover), 2) drainage organization within the reservoir (development of the karst network), and 3) recording in the caves of the morphological, sedimentological and geochemical markers of these three stages. The first difficulty to overcome in the understanding and modelling of karst reservoirs is the correct determination of the processes involved during the 3 successive stages of karst genesis, using geological analyses of the present karst system. The second difficulty corresponds to the need to integrate very heterogeneous data (geomorphology, weathering parameters, paleoclimate, tectonics, hydrology, sedimentology, stratigraphy ) in order to accurately analyze the karstic system. Implementation of a digital tool that allows to integrate, represent and analyze le whole set of data in maps (GIS-type), as well as in 3D (geomodeller-type ) is an essential step in robust and accurate hydrogeological modeling. The project will address these scientific and methodological objectives through the analysis of selected karstic systems from the well documented regions of southern Larzac and Montpellier “garrigues”. In these areas, karstogenetic models are still under discussion, while they are the site of renewed interest for water resources exploration and management, by the local authorities. Scientific objective The general scientific objective is the understanding of the formation, development and present-day functioning of carbonate reservoir affected by karstification. Karstification processes drastically modify reservoir properties and the conditions of fluid flow within the reservoir. More specifically, comparative analyses of karstic networks in different areas of the southern margin of the Larzac plateau will allow to determine the part played by karstogenetic processes on the present-day morphology. The Vis River canyon truncates the reservoir across its center. Network organization features branchwork pattern developed in the massif, above and below the river bed. Canyon slopes do not cross cut caves. Such 3D setting of karst network is interpreted as a result of rapid incision, related to uplift of the massif. The peripheral valley of the Arre River and the karstic regressive erosion of the Lergue River present maze pattern networks. These areas are located at the outer margins of the reservoir, and are associated with a rise of the outcropping basal impervious layer. We interpret that the development of the maze pattern results from the flushing of the weathered parts (ghost-rocks) of the reservoir, progressively submitted to the regressive erosion of the plateau margins. In this instance there is no or little vertical incision. Methodological objective The main methodological objective of this work is to generate a workflow for the acquisition and the integration of the data relevant to karstology, within a 3D model of karstic reservoir. This will be done on the YouWol™ Platform. We will integrate 1) field data such as maps of residual formations, karst morphology, karst deposits ; 2) data provided by the Company's modelers (geodesy, models results); 3) published data such as geological maps, boreholes, gravimetry, seismic, thermo- and radio-chronology results, etc This will ensure 1) better undertsanding of the architecture and of the development of the karstic reservoirs, with an academic-focused objective ; and 2) provide an operating tool to visualize, analyze an heterogeneous database, and model the hydrogeology of karstic reservoirs, with an enterprise-focused objective.