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 ; Soutenance le 16/12/2024
• Etablissement(s) : Université de Montpellier (2022-....)
• Ecole(s) doctorale(s) : École Doctorale GAIA Biodiversité, agriculture, alimentation, environnement, terre, eau (Montpellier ; 2015-...)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : GM - Géosciences Montpellier
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Géologie des Réservoirs et Ressources
• Jury : Président / Présidente : Laurent Bruxelles
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Pauline Collon, Laurent Bruxelles, Philippe Audra, Hubert Camus
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Pauline Collon, Laurent Bruxelles

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

Les réservoirs karstiques résultent de la dissolution d’un volume de roche carbonatée sous l’effet de circulations de fluides acides et constituent des espaces de stockage considérables pour les ressources souterraines. Les hétérogénéités des systèmes karstiques et de leur structure interne constituent un obstacle à l’élaboration de modèles hydrologiques fiables. La récente mise en évidence des processus de karstification par « fantômisation » suggère l’existence d’importants volumes pour la ressource en eau souterraine. L’objectif de cette thèse CIFRE est double : 1 - Créer d’un outil d’analyse des réservoirs karstiques. On a développé un outil numérique qui permet l’acquisition, la centralisation, la visualisation et l’archivage de données pertinentes pour l’analyse des karsts. Ce véritable SIG en 3D constitue une solution d’analyse, d’interprétation et de communication sur les réservoirs karstiques. 2 - Contribuer à la compréhension de la nature, la géométrie et l’organisation des réservoirs karstiques dans un massif carbonaté, à partir de l’exemple du Larzac sud (Sud de la France). La construction d’un modèle géologique 3D de l’intervalle du Jurassique dans le Larzac sud permet de définir l’enveloppe dans laquelle se développe le réservoir karstique, au cours de phases successives, sur le temps long (1 – 10 Ma). On montre que le squelette du réservoir karstique est constitué par des couloirs d’altération qui résultent d’un processus de fantômisation, puis du débourrage partiel ou total des altérites résiduelles. Les couloirs d’altération ont été identifiés et cartographiés en surface et en profondeur sur le Larzac sud. On caractérise ainsi la structure et la texture du réservoir géologique. On met en évidence trois étapes successives de débourrage des couloirs d’altération, en lien avec les modifications connues des conditions hydrodynamiques, contrôlées par l’évolution tectonique et morphologique du Larzac sud. Ensuite, l’intégration des connexions hydrologiques établies par les opérations de traçages avec la structure du réservoir géologique permet de proposer des chemins de drainages des circulations d’eaux souterraines actuelles et passées, à l’échelle du Larzac sud. On montre que l’intérieur des couloirs d’altération présente des faciès différents, en fonction de leur stade d’évolution. L’impact des différents faciès sur les modalités de circulations des eaux et sur l’estimation des réserves en eaux souterraines est discuté. L’étude des calcaires du Barrois (Meuse et Haute-Marne) à proximité du site Cigéo a servi de ‘démonstrateur’ pour i) tester et améliorer l’outil méthodologique (SIG), ii) reproduire la méthode de cartographie des couloirs d’altération et iii) valider les modèles conceptuels d’organisation tridimensionnelle des structures karstiques et leur rôle dans l’organisation des chemins de drainage souterrain. Cette thèse apporte i) une nouvelle compréhension de la structure et de la texture d’un réservoir karstique, et ii) un outil, adapté à l’étude du karst, qui permettent de répondre de manière pragmatique et cohérente aux questions posées par les collectivités, les décideurs et les industriels, quant à la nature du sous-sol en domaine karstique.

Karst reservoirs form through the dissolution of carbonate rocks in response to acidic fluid circulation, creating significant volumes of underground storage space for natural resources. The heterogeneity of karst systems and their internal structures poses a challenge to the development of reliable hydrological models. The recent discovery of “ghost-rock karstification” processes suggests the existence of substantial and unexpected volumes of groundwater resources. This CIFRE thesis has two main objectives: 1- To create a tool for analysing karst reservoirs. We have developed a digital tool that enables the acquisition, centralisation, visualisation, and archiving of relevant data for karst analysis. This “3D GIS” offers a comprehensive solution for analysis, interpretation, and communication regarding karst reservoirs. 2- To contribute to understanding the nature, geometry, and organisation of karst reservoirs in a carbonate massif, using the example of southern Larzac (southern France). The construction of a 3D geological model of the Jurassic interval in southern Larzac enables the delineation of the envelope in which the karst reservoir has developed over multiple phases, spanning long periods (1–10 Ma). We demonstrate that the karst reservoir’s framework consists of alteration corridors formed through a “ghost-rock” process, followed by the partial or complete removal of residual alterites. These alteration corridors were identified and mapped at both surface and depth in southern Larzac, allowing us to characterise the geological reservoir’s structure and texture. We identify three successive stages of undissolved material evacuation, associated with known shifts in hydrodynamic conditions driven by the tectonic and morphological evolution of southern Larzac. By integrating hydrological connections determined through dye tracing operations with the geological reservoir structure, we propose drainage paths for past and present groundwater flows across southern Larzac. Findings indicate that the interiors of the alteration corridors exhibit varied facies depending on their evolution stage. The influence of these facies on water circulation dynamics and on the estimation of groundwater reserves is examined. The study of the Barrois limestones (in the Meuse and Haute-Marne regions) near the Cigéo site served as a ''demonstrator'' to: i) test and enhance the methodological tool (GIS), ii) replicate the mapping method for alteration corridors, and iii) validate conceptual models of the three-dimensional organisation of karst structures and their role in shaping subsurface drainage paths. This thesis provides: i) a new understanding of the structure and texture of a karst reservoir, and ii) a tool adapted for karst studies, which offers a pragmatic and coherent response to questions posed by communities, decision-makers, and industry stakeholders regarding the nature of the subsurface in karst areas.