Simulation de réseaux karstiques discrets : application aux Calcaires du Barrois

Discrete karst network simulations : application to the Barrois limestones

• Auteur / Autrice : Augustin Gouy
• Direction : Pauline Collon, Vincent Bailly-Comte
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Géosciences
• Date : Soutenance le 06/03/2025
• Etablissement(s) : Université de Lorraine
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale SIReNa - Science et ingénierie des ressources naturelles (Lorraine ; 2018-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : GeoRessources
• Jury : Président / Présidente : Valérie Plagnes
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Pauline Collon, Vincent Bailly-Comte, Philippe Renard, Philippe Vernant, Laurent Bruxelles, Arnauld Malard
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Philippe Renard, Philippe Vernant

Mots clés

Mots clés contrôlés

Graphes aléatoires

Barrois (France)

Écoulement polyphasique

Algorithmes bio-inspirés (intelligence artificielle)

Analyse stochastique

Modèles en géologie

Hydrologie karstique

Simulation par ordinateur

Karst

Mots clés libres

Réseau karstique

Simulation stochastique

Approche pseudo-génétique

Graphe

Karst polyphasé

Karst network

Stochastic simulation

Pseudo-Genetic approach

Graph

Polyphasic karst

Résumé

Les systèmes karstiques, présents principalement dans les roches carbonatées comme le calcaire et la dolomie, se caractérisent par des réseaux de vides qui contrôlent les flux d'eau au sein des aquifères. Ces systèmes sont créés au travers de processus physico-chimiques complexes, et peuvent avoir des géométries et des topologies ainsi que des dimensions de conduits variées. Par ailleurs, les karsts se forment souvent souvent en plusieurs phases successives, complexifiant encore le phénomène.Ces systèmes posent des défis majeurs, tels que des risques quantitatifs sur la ressource en eau potable. Comprendre et modéliser les écoulements dans ces formations karstiques nécessite d'intégrer explicitement les réseaux dans les simulations d'écoulement. Cependant, l'exploration directe des conduits étant limitée, il est généralement nécessaire de simuler ces réseaux.Cette thèse présente KarstNSim, une nouvelle méthodologie pseudo-génétique pour simuler des squelettes de réseaux karstiques discrets en 3D. Elle résout un problème de plus court chemin entre les entrées et les sorties du réseau en utilisant un coût anisotrope. Ce coût représente les processus physico-chimiques qui régissent la spéléogénèse, offrant un contrôle simplifié sur la morphométrie des réseaux générés. Le coût est directement défini sur les arêtes d'un graphe aléatoire avec une résolution spatiale adaptative, permettant une représentation précise des conduits tout en intégrant les incertitudes liées à la discrétisation. KarstNSim reproduit divers motifs karstiques et différencie avec précision les conduits des zones vadose et phréatique. Il représente les karsts polyphasés en simulant des phases spéléogénétiques successives et intègre des contraintes modulaires sous forme de points de passage. De plus, la méthode est couplée à un algorithme de SGS modifié pour simuler les dimensions des conduits sur les squelettes générés, facilitant le transfert des réseaux dans les modèles d'écoulement.La méthode a été appliquée aux Calcaires du Barrois, une formation jurassique située dans l'est de la France. Couvrant plus de 1000 km², cette formation présente un aquifère karstique multi-couche influencé par des phases successives d'érosion et de karstification. KarstNSim a permis de simuler ces réseaux en intégrant un modèle géologique, des contraintes hydrogéologiques et des données spéléologiques, tout en prenant en compte les incertitudes sur la position des conduits. Le modèle reproduit les configurations spécifiques de chaque phase de karstification ainsi que la structure stratifiée du karst polyphasé. Il prend aussi en compte l'influence de couloirs d'altération et de la crypto-corrosion. Enfin, il permet de délimiter les bassins versants probables de chaque source.KarstNSim constitue un outil flexible pour simuler des réseaux karstiques discrets avec des géométries réalistes et une méthode permettant de quantifier les incertitudes sur la position et les dimensions des conduits grâce à une approche stochastique. Son application aux calcaires du Barrois met en évidence sa compatibilité avec des contextes réels et son potentiel d'application à d'autres karsts.

Karst systems, primarily found in carbonate rocks like limestone and dolomite, consist of void networks that govern water flow in aquifers. These systems form through complex physico-chemical processes, and exhibit diverse geometries, topologies, and conduit dimensions. A polyphasic history often characterizes these systems, where multiple phases shape a single karst network.These systems pose significant challenges, including water supply reliability concerns. Understanding and modeling the spatialized groundwater behavior of karstified formations require explicitly incorporating these networks into flow simulations. Direct conduit exploration is limited, which means that a simulation of the network is usually required.This thesis develops KarstNSim, a novel pseudo-genetic methodology for simulating discrete karst network skeletons in 3D. It solves a shortest path problem between the inlets and outlets of the network with the use of an anisotropic cost. This cost represents the physico-chemical processes that govern speleogenesis, providing simplified control over the morphometry of the generated networks. The cost is directly defined on the edges of a random graph with an adaptive spatial resolution, which enables precise representation of conduits while propagating discretization uncertainties. KarstNSim replicates varied karst patterns and accurately differentiates conduits between vadose and phreatic zones. It represents polyphasic karsts by simulating successive speleogenetic phases and integrates modular constraints in the form of waypoints. Additionally, the method is coupled with a modified SGS algorithm to simulate conduit dimensions on the generated skeletons, facilitating the transfer of networks into groundwater flow models.The method is applied to the Barrois limestones, a Jurassic-age formation in eastern France. This formation, covering over 1000 km², presents a multi-layered karst aquifer influenced by successive erosion and karstification phases. KarstNSim successfully simulated these networks by integrating a geological model, hydrogeological constraints, and speleological data, while addressing the uncertainties in conduit position. The model reproduces the specific patterns of each karstification phase as well as the layered structure of the polyphasic karst. It also accounts for the influence of ghost-rock corridors and crypto-corrosion. Finally, it enables the delineation of probable catchment areas for each spring.KarstNSim constitutes a flexible tool for simulating discrete karst networks with realistic geometries and a way to quantify uncertainties on conduit position and dimensions thanks to a stochastic approach. Its application to the Barrois limestones highlights its compatibility with real settings and its possible application to other karsts.