Dynamique des écoulements dans les aquifères calcaires de bas plateaux: de l'identification à la quantification des types de circulation. Exemple des formations triasiques et jurassiques dans le nord-est de la France - Université de Lorraine Access content directly
Theses Year : 2012

Flow dynamics in the limestone aquifers of low plateaus: from identification to quantification of the types of circulation: example of Triassic and Jurassic formations in the North-East of France

Dynamique des écoulements dans les aquifères calcaires de bas plateaux: de l'identification à la quantification des types de circulation. Exemple des formations triasiques et jurassiques dans le nord-est de la France

Abstract

The spatial heterogeneity is a feature of limestone aquifers. Conditioned by the karst and its morphologies, this heterogeneity explains the frequent under-exploitation of these hydrosystem reserves but it also explains the incomplete degree of knowledge of their functionings. In this research we wanted to deepen this knowledge by scrutinizing the functioning of the limestone aquifers which arm the low plateaus of the North-East of France. Three of these low plateaus held our attention, those of Dogger and Oxfordian (Jurassic) and the one of Muschelkalk (Triassic). In order to understand how the flows on and into these three systems are organized, our approach focuses on two main axes ; the first one concerns the identification of the modes of flow and the second one is devoted to quantification. In practice, the knowledge of the flow modes was investigated through the study of various structural parameters (geology, tectonics, karst) and conjunctural parameters (precipitation, evapotranspiration) interacting the water cycle. We show that the variety of hydrological functionings which are observed, on the scale of the study area, is mainly dependent on the structural parameters ; the lithological heterogeneity, in particular, appears as a determining functional key, on the one hand, by the existence of a multiplicity of groundwater and on the other hand, by its role in the karstogenesis. The morphologies of the karst are primarily obvious on the areas of lithostratigraphic contact and we were able to establish, through a spatial distribution of karst phenomena (on and underground), that these three plateaus are mainly disconnected from the karst and run by slow-flow processes, from infiltration to ground water discharge. In order to provide some quantifications of the circulations, a hydroclimatic and geochemical analysis of small outlets was then conducted. Thus a dozen springs and catchments, located in various physiographic settings have been surveyed for several water years. The analysis allowed us to specify the hydrodynamic characteristics of two types of behavior observed in the low plateaus we studied: the fissural behavior and the karstic behavior. The fissural behavior appears, on an annual scale, through a significant rainfall filtering of the systems (high inertia of the values of discharges and electrical conductivities) and also by slow charging processes when flood events occur. The karst behavior, meanwhile, is evidenced on an annual scale, by a moderately rainy filtering of the systems but also by hydrogeochemical variations accused during major rainfall solicitations in connection with the important transmissivity of these environments
L'hétérogénéité spatiale est un trait caractéristique des aquifères calcaires. Conditionnée par le karst et ses morphologies, cette hétérogénéité explique la fréquente sous-exploitation des réserves de ces hydrosystèmes mais également le degré lacunaire de connaissance de leurs fonctionnements. Nous avons voulu, dans cette recherche, approfondir cette connaissance en scrutant le fonctionnement des aquifères calcaires qui arment les bas plateaux du Nord-Est de la France. Trois de ces bas plateaux ont été retenus, ceux du Dogger et de l'Oxfordien (Jurassique) et celui du Muschelkalk (Trias). Afin de comprendre comment s'organisent les écoulements sur et dans ces trois systèmes, notre démarche s'articule autour de deux principaux axes ; le premier concerne l'identification des modalités de l'écoulement et le second est consacré à leur quantification. En pratique, la connaissance des modalités de circulation a été recherchée à travers l'étude des différents paramètres structurels (géologique, tectonique, karstique) et conjoncturels (précipitation, évapotranspiration) qui interagissent dans le cycle de l'eau. Nous montrons que la variété de fonctionnements hydrologiques observés, à l'échelle du domaine d'étude, est conditionnée principalement par les paramètres structurels ; l'hétérogénéité lithologique, notamment, apparaît comme une clef fonctionnelle déterminante, d'une part, par l'existence d'une multiplicité de nappes d'eau et d'autre part, par son rôle dans la karstogenèse. Les morphologies du karst s'observent principalement sur les secteurs de contact lithostratigraphique et nous avons pu établir, à travers une répartition spatiale des phénomènes du karst (en surface et en souterrain), que ces trois plateaux sont majoritairement déconnectés du karst et dominés par des processus de circulation lents, de l'infiltration à la vidange aquifère. Afin d'apporter des éléments de quantification sur les circulations, une analyse hydroclimatique et géochimique d'exutoires de petites dimensions a été ensuite menée. C'est ainsi qu'une petite dizaine de sources et de bassins versants, localisés dans des contextes physiographiques variés, ont fait l'objet de suivis sur plusieurs cycles hydrologiques. L'analyse nous a permis de préciser les caractères hydrodynamiques de deux grands types de comportement observés au sein des bas plateaux étudiés : le comportement fissural et le comportement karstique. Le comportement fissural se manifeste, à l'échelle annuelle, par un filtrage important des précipitations par les systèmes (forte inertie des valeurs de débits et de conductivités électriques) et également par de lents processus de mise en charge à l'échelle des évènements de crue. Le comportement karstique, quant à lui, est attesté, à l'échelle annuelle, par des pluies moyennement filtrées par les systèmes mais aussi par des variations hydrogéochimiques accusées lors des sollicitations pluviométriques majeures, en lien avec la transmissivité importante de ces milieux
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Vincent Fister. Dynamique des écoulements dans les aquifères calcaires de bas plateaux: de l'identification à la quantification des types de circulation. Exemple des formations triasiques et jurassiques dans le nord-est de la France. Histoire. Université de Lorraine, 2012. Français. ⟨NNT : 2012LORR0405⟩. ⟨tel-01749892⟩

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