Auto-organisation des systèmes karstiques pour la protection et la vulnérabilité des ressources en eau – KASPER

Nous allons développer divers outils de modélisation (WP1) afin de vérifier la théorie des processus chimiques et mécaniques découplés, et de mieux comprendre les conditions et les lieux de formation des principaux conduits et cavités. Ces modèles seront mis en relation avec des expériences de dissolution en laboratoire (WP2), en s'attachant particulièrement à observer les processus se déroulant avant et après la percée des échantillons. Le lien entre les expériences en laboratoire et les mesures de terrain sera étudié par une analyse et une comparaison métriques (WP3).

Ces modèles seront mis en relation avec des expériences de dissolution en laboratoire (WP2), l'accent étant mis sur l'observation des processus se déroulant avant et après la rupture des échantillons. Des expériences de dissolution d'échantillons de carbonate seront menées en laboratoire, avec diverses hétérogénéités initiales et plusieurs outils de suivi utilisés tout au long des expériences (imagerie par tomographie aux rayons X, traceurs, mesures géophysiques, etc.).

Le lien entre les expériences en laboratoire et les mesures de terrain sera étudié par une analyse et une comparaison métriques (WP3). Des mesures de terrain et une comparaison multi-échelle, en lien avec les conclusions des modèles numériques et des expériences en laboratoire, seront réalisées. Cette étape sera menée sur le site de Durzon à Larzac, avec la base de données Karst3D. Ceci permettra d'améliorer notre compréhension de la formation des conduits et des cavités dans les systèmes karstiques, ainsi que des propriétés de la roche matrice environnante et de sa capacité de stockage. Ces informations sont essentielles pour une exploitation durable de ces systèmes, notamment dans le contexte du changement climatique, susceptible d'affecter le potentiel de karstification de ces milieux naturels.

Comprendre la formation des systèmes karstiques est essentiel à la gestion et à la

protection des ressources en eau, ainsi que des autres ressources stockées dans ces systèmes (pétrole, gaz…). En particulier, la caractérisation des propriétés hydrodynamiques et de stockage de ces systèmes fait partie des objectifs du thème de recherche A1 de l’Agence nationale de la recherche (ANR). Dans ce contexte, l’étude de la formation des roches fantômes (ou zones altérées) et de l’auto-organisation des flux au sein de ces systèmes permettra de comprendre

comment et où elles se forment, et comment ce processus de formation détermine les propriétés de stockage de ces systèmes, notamment par la porosité des zones altérées. Ces connaissances fourniront des informations clés pour les applications de terrain liées à la gestion et à la protection des ressources, mais aussi pour prédire l’impact du changement climatique sur les propriétés des systèmes karstiques. Ces dernières sont indispensables pour garantir une exploitation durable des ressources stockées dans ces milieux naturels. La réalisation d'expériences en laboratoire dans diverses conditions hydro chimiques permettra de reproduire

différentes visions de la formation karstique, depuis l'hypothèse d'une élimination totale de la matière dissoute, lors du passage de la solution acide à travers l'échantillon, jusqu'à des configurations où les processus chimiques et mécaniques sont découplés. Les simulations numériques serviront à définir le domaine de validité de ces représentations et à évaluer l'impact des structures initiales avec des systèmes synthétiques supplémentaires.

Nous prévoyons également que les conclusions tirées des expériences en laboratoire et des simulations numériques contribueront à la compréhension des données et des mesures acquises sur le terrain. Les propriétés structurales et les données obtenues par des tests de traçage et des mesures géophysiques seront comparées aux deux échelles et utilisées dans des modèles à grande échelle. Elles alimenteront également la base de données karst3D, dans laquelle les différents systèmes karstiques pourront être classés selon la théorie de formation applicable à chaque exemple. Cette base de données constitue une ressource ouverte précieuse pour la communauté scientifique.

Les résultats obtenus dans le cadre des WP1 et WP2 seront publiés dans des revues internationales à comité de lecture en libre accès (4 publications sont attendues) et présentés lors de conférences nationales et internationales (une conférence internationale pour le chercheur postdoctoral et le doctorant, et une conférence européenne et une école d'été nationale pour le doctorant). Les coûts de publication et de participation aux conférences non inclus dans le budget du projet KASPER seront couverts par les financements de recherche d'autres PI.

Les données de laboratoire et de terrain, ainsi que les modèles, seront également publiés en libre accès (cf. « Pratiques de la science ouverte » dans la section I.c.).

Le chercheur postdoctoral et le doctorant auront la possibilité de participer à des festivals scientifiques grâce aux activités de l'unité de recherche Géosciences Montpellier et dans le cadre de la formation proposée par l'école doctorale GAIA pour le doctorant (cf. dernier paragraphe de « Équipe et moyens » dans la section II.a.). La plupart des données topographiques des grottes provenant d'associations de spéléologues, des conférences sur la karstogenèse, y compris l'utilisation des données topographiques des grottes dans la recherche universitaire, seront organisées.

L'exploitation durable des systèmes karstiques nécessite de comprendre comment ces structures se forment, en s’intéressant à leur hydrodynamique, vulnérabilité aux contaminants et capacité de stockage. Le paradigme traditionnel de la formation des karsts suppose que les processus de dissolution et érosion se produisent en même temps, conduisant à la formation de conduits sous l'action de l'eau acide. Cependant, des observations de terrain montrent que ces processus sont découplés lors de la formation des karsts, expliquant la présence de roches fantômes (ou roches altérées). Afin d'améliorer notre compréhension de ces phénomènes, nous proposons une approche multi-disciplinaire multi-échelle s'appuyant sur les étapes suivantes. (i) Deux types de modèles numériques seront développés en lien avec la vision traditionnelle de la formation des karsts et la théorie des roches fantômes. Des logiciels existants seront couplés pour simuler l'écoulement, le transport réactif, les réactions géochimiques et la spéciation, et liés à des expériences en laboratoire. (ii) Des expériences en laboratoire de dissolution d'échantillons de carbonates seront menées avec diverses hétérogénéités initiales et plusieurs outils de suivi utilisés tout au long des expériences (tomographie à rayons X, traceurs, mesures géophysiques…). (iii) Des mesures de terrain et des comparaisons multi-échelles en lien avec les conclusions fournies par les modèles numériques et les expériences en laboratoire seront effectuées. Cette étape sera réalisée sur le site du Durzon (Larzac) avec la base de données Karst3D. Cela permettra de mieux comprendre comment et où se forment les conduits et les cavités, mais également les propriétés de la roche environnante et sa capacité de stockage. Ces informations sont clés pour une exploitation durable de ces systèmes, en particulier dans un contexte de changement climatique qui pourrait impacter le potentiel de karstification de ces milieux naturels.