Geological heterogeneity, speleogenesis and hydrodynamics of karst : From concept to numerical modeling
Hétérogénéité géologique, spéléogenèse et hydrodynamique du karst : du concept à la modélisation numérique
Résumé
This work aims to integrate the explicit geometries of karst conduits in flow models.Based on both field observations of karst developments as well as modeling approaches for speleogenesis processes and hydrogeology, three scientific subjects are developed in this thesis.First, investigations of the fontaine de Vaucluse systems, mainly in the unsatured zone, allow identification of the key parameters that control the karst conduit geometries.These geological and hydrological parameters affect the preferential flow paths and the piezometric level.Second, using these concepts on karstogenesis, karst network development is studied through 3D modeling.Synthetic models enable the study of the relationship between karst conduit architectures, fault network petrophysical properties and heterogeneities in the matrix hydraulic conductivity.Moreover, well-established concepts and data spatial distribution methods are criticized and improved.Third, hybrid models explore the impact of explicit representation of karst conduits combined with the influence of the unsaturated zone on hydraulic behavior.These models are tested against published concepts in the vicinity of karst conduits and at the reservoir scale.The different numerical experiments return the expected hydrodynamic behavior.This highlights the coupled flow impact of conduit and matrix petrophysical properties.As a conclusion, this thesis proposes a global method for modeling karst reservoirs in order to integrate, as far as possible, matrix and conduits heterogeneities.
Cette thèse a pour but d'intégrer explicitement la géométrie des conduits karstiques dans les modèles numériques d'écoulement. A partir d'observations du développement des réseaux de conduits karstiques sur le terrain et de modélisations des processus spéléogénétiques et hydrogéologiques, trois sujets scientifiques sont développés dans ces travaux. Premièrement, les investigations sur le système de la fontaine de Vaucluse, essentiellement en zone non saturée, permettent d'identifier les principaux paramètres qui contrôlent la géométrie des réseaux de conduits karstiques. Ces paramètres géologiques et hydrologiques impactent les écoulements préférentiels et les niveaux saturées en eau. Sur la base des connaissances acquises, le développement des conduits est ensuite étudié par le biais de la modélisation 3D. Des modèles synthétiques permettent d'étudier les relations entre les contrastes de conductivité hydraulique de la matrice, l'architecture et l'hétérogénéité des failles et l'architecture du réseau de conduits qui en résulte. De plus, les concepts établis et la méthodologie de spatialisation des données sont améliorés et critiqués sur une partie du système d'étude.Troisièmement, des modèles hybrides sont construits pour étudier l'effet sur le comportement hydrodynamique de la représentation explicite conjointe des conduits karstiques et de la zone non saturée. Ces modèles sont confrontés aux concepts de la littérature à l'échelle du voisinage d'un conduit karstique et à l'échelle du réservoir. Les expériences numériques réalisées permettent de valider l'utilisation de ces modèles hybrides pour reproduire les comportements hydrodynamiques attendus. Elles permettent de quantifier l'influence des propriétés des réseaux de conduits et des propriétés pétrophysiques de la matrice sur les écoulements. En synthèse de cette thèse, une méthodologie de travail est proposée pour modéliser les réservoirs karstiques en intégrant au mieux leur hétérogénéité, de la matrice aux réseaux de conduits.
Origine : Version validée par le jury (STAR)
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