Transfers and recharge characterization in karstic systems using dissolved gases
Caractérisation de la recharge et des transferts au sein des aquifères karstiques par l’utilisation des gaz dissous
Résumé
The aim of this thesis is to use dissolved gases to develop new tracers, which provide information on groundwater recharge and circulation conditions in karst aquifers. However, the structural characteristics of karst aquifers, such as the possible presence of an epikarst aquifer, a thick unsaturated zone, air-filled cavities at depth and rapid and significant recharge, pose scientific obstacles to the use of gaseous tracers in a karst context. These barriers raise fundamental questions about the air-water equilibrium processes during water transfer along the unsaturated zone and the formation of excess air (EA). To answer these questions, two study sites were used: the Durzon catchment area (Causse du Larzac) developed in a predominantly dolomitic lithology and the Lez catchment area (North of Montpellier) developed in a predominantly calcareous lithology and subjected to anthropogenic pressure (pumping for drinking water supply). These pilot sites are part of national observatories (SNO H+ and SNO Karst respectively) integrating the OZCAR organisation (Observatoires de la Zone Critique - Applications et Recherche). This thesis work was based on measurements made at different time and space scales: i) point measurements during hydrological cycles VS continuous measurements during a flood; ii) measurements at the spring integrating information from the whole catchment area VS more local measurements in a borehole or in karst cavities integrating information at the drain or matrix scale. The dissolved gas signatures suggest that the air in the Durzon vadose zone conduits has a similar composition to atmospheric air down to 120 m depth. In addition, dissolution of the gases appears to occur in a near-surface horizon (i.e. the sorage epikarst). The monitoring of the AE signal and its modelling at the Durzon spring suggests that the process of trapping air bubbles is mainly related to pressure variations that occur at the top of the saturated zone of the karst. On the other hand, the continuous monitoring carried out at the Lez spring in partnership with Géosciences Rennes and the CondatEau analysis platform using the CF-MIMS (Continuous Flow Membrane Inlet Mass Spectrometer) made it possible to initiate an approach for dating a deep flow from 4He data calibrated by CFC data. Monitoring of the EA signal at the Lez spring suggests that active management of the Lez karst may have an impact on the complex evolution of this signal.
L’objectif de ces travaux de thèse est de s’appuyer sur les gaz dissous pour développer de nouveaux traceurs, informant sur les conditions de recharge et de circulation des eaux souterraines dans les aquifères karstiques. Néanmoins, les caractéristiques structurales des aquifères karstiques telles que la possible présence d’un aquifère épikarstique, d’une épaisse zone non saturée, de cavités remplies d’air en profondeur et de mises en charge rapides et importantes posent des verrous scientifiques quant à l’utilisation de traceurs gazeux en contexte karstique. Ces verrous soulèvent des questions fondamentales relatives aux processus d'équilibre air-eau lors du transfert d’eau le long de la zone non saturée et de formation d’excès d’air (EA). Pour répondre à ces questions, deux sites d’étude ont été utilisés : la bassin d’alimentation du Durzon (Causse du Larzac) développé dans une lithologie à dominante dolomitique et le bassin d’alimentation du Lez (Nord de Montpellier) développé dans une lithologie à dominante calcaire et soumis à une pression anthropique (pompage pour l’alimentation en eau potable). Ces sites pilotes font partie d’observatoires nationaux (SNO H+ et SNO Karst respectivement) intégrant l’organisation d’OZCAR (Observatoires de la Zone Critique – Applications et Recherche). Ce travail de thèse s’est appuyé sur des mesures faites à différentes échelles de temps et d’espace : i) des mesures ponctuelles au cours du cycles hydrologiques VS des mesures continues au cours d’une crue ; ii) des mesures à la source intégrant l’information de l’ensemble du bassin d’alimentation VS des mesures plus locales dans un forage ou dans des cavités karstiques intégrant l’information à l’échelle du drain ou de la matrice. Les signatures de gaz dissous suggèrent que l’air des conduits de la zone vadose du Durzon possède une composition similaire à l’air atmosphérique et ceci jusqu’à 120 m de profondeur. De plus, la mise en solution des gaz semble se faire dans un horizon proche de la surface (soit l’épikarst capacitif). Le suivi du signal d’EA et sa modélisation à la source du Durzon permet de suggérer que le processus de piégeage de bulles d’air est principalement à mettre en lien avec des variations de pressions qui se produisent au sein de la zone noyée du karst. D’autre part, le suivi continu réalisé à la source du Lez en partenariat avec Géosciences Rennes et la plate-forme d’analyse CondatEau à l’aide du CF-MIMS (Continuous Flow Membrane Inlet Mass Spectrometer) a permis d’amorcer une approche de datation d’un flux profond à partir de données d’4He calibrées par des données de CFC. Le suivi du signal d’EA à la source du Lez suggère quant à lui que la gestion active du karst du Lez peut avoir un impact sur l’évolution complexes de ce signal.
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Origine : Version validée par le jury (STAR)