Ecole Doctorale

Sciences de l'Environnement

Spécialité

Sciences de l'environnement: Géosciences

Etablissement

Aix-Marseille Université

Mots Clés

Diagnostic de puits,Traceurs naturels,Intrusion saline,Pluie efficace,Isotopes stables de l'eau,Karst

Keywords

Diagnotic plot,Naturals tracers,Saline intrusion,Effective rainfall,Water stable isotopes,Karst

Titre de thèse

Contraindre la recharge, les modalités et structures d'écoulement en contexte carbonaté par une approche pluridisciplinaire - Application aux ressources en eau des bassins versants de l’Huveaune et du karst de Port-Miou (SE France)
Constraining recharge, flow modalities and structures in a carbonate context by a multidisciplinary approach - Application to water resources of the Huveaune and Port-Miou karst watersheds (SE France)

Date

Jeudi 15 Décembre 2022 à 14:30

Adresse

CEREGE TECHNOPOLE ENVIRONNEMENT ARBOIS-MEDITERRANEE BP80 13545 AIX en PROVENCE, CEDEX 04, FRANCE Amphithéâtre Arbois

Jury

Directeur de these M. Julio GONCALVES Aix-Marseille Université
Rapporteur Mme Valérie PLAGNES Sorbonnes Université
Rapporteur M. Patrick LACHASSAGNE Université de Montpellier
CoDirecteur de these M. Bruno ARFIB Aix-Marseille Université
Examinateur Mme Christine VALLET-COULOMB Aix-Marseille Université
Examinateur Mme Catherine BERTRAND Université de Franche-Comté

Résumé de la thèse

La gestion de la ressource en eau souterraine dans un territoire nécessite d’identifier les masses d’eau souterraine et leurs modalités de recharge et d’écoulement. En domaine carbonaté karstique, la tâche est compliquée par la présence des zones transmissives qui favorisent le transfert rapide dans les différents compartiments du karst. À l’échelle d’un hydrosystème, les grandes structures géologiques (chevauchements, failles, faciès) et géomorphologiques ou karstologiques (vallées, poljés) impactent également les écoulements. Dans ce contexte, l’hydrogéochimie permet d’établir la signature des masses d’eau en fonction de l’origine de l’eau, des roches traversées et des activités humaines. Toutefois, en Basse-Provence calcaire, l’histoire géologique depuis l’Oligocène a permis le dépôt de sédiments continentaux et marins au sein des structures karstiques, susceptibles de perturber le signal chimique acquis par l’eau. Dans cette thèse il est proposé d’étudier l’hydrogéologie du bassin versant de la rivière Huveaune, en partie commun au bassin versant des sources sous-marines de Port-Miou (Cassis). Cette zone referme une ressource en eau définie comme stratégique par l’Agence de l’Eau, à proximité de la métropole Marseillaise. L’approche choisie repose sur plusieurs méthodes d’investigation complémentaires sur des forages, des eaux de surface et des sources. En incluant des forages dans l’analyse, il est ainsi possible d’améliorer la distribution spatiale des points d’observations et d’échantillonnage de l’eau, et de réaliser des essais de pompage pour tester l’aquifère en complément de l’approche hydrogéochimique. L’interprétation d’essai de pompage par la méthode des dérivées (ou diagnostic plot), couplée à la modélisation des écoulements à l’aide de solutions analytiques a mis en évidence le caractère non univoque de l’interprétation, améliorée par la prise en compte du contexte géologique. Les essais dans la plaine alluviale d’Aubagne mettent en valeur la forte transmissivité des paléochenaux, qui montre qu’en contexte carbonaté les remplissages des bassins d’effondrement et poljés peuvent constituer une ressource en eau souterraine locale en quantité mais potentiellement affectée par les activités agricoles. L’analyse hydrogéochimique multi-traceurs s’est appuyé sur des prélèvements mensuels d’eau sur des sources karstiques, forages, rivières et canaux sur la période 2018 à 2021. Les ions majeurs ont été systématiquement analysés, et complétés par l’analyse de plusieurs isotopes : δ18O, δ2H ; 87Sr/86Sr ; δ34SSO4, δ18SSO4. Les isotopes stables de l’eau s’avèrent être un outil majeur qui a permis d’établir un graphique de référence pour les masses d’eau régionales et de quantifier l’influence de l’irrigation sur la plaine alluviale. Le signal en isotopes du strontium de l’eau souterraine est influencé par la nature des remplissages karstiques et diffère de la signature théorique des réservoirs crétacés et jurassiques. L’approche multi-traceurs confirme l’origine marine de la salinité observée sur les sources de Port-Miou. En complément, la signature en isotopes stables de l’eau de pluie a pu être suivie à l’aide de deux stations de collecte des précipitations à deux altitudes différentes, représentatives de la zone d’étude. Un modèle d’infiltration couplé à un bilan isotopique mensuel a mis en évidence l’appauvrissement en isotopes stables de la pluie efficace par rapport aux précipitations. Ce signal se retrouve dans les eaux souterraines étudiées et permet ainsi d’expliquer les valeurs a priori anormales de ces eaux. Dans le contexte de changement climatique, ces travaux pourront aider les acteurs locaux à gérer la ressource en eau souterraine de façon concertée et durable. La mise en place d’un suivi qualitatif et quantitatif de la ressource en eau souterraine est vivement encouragée.

Thesis resume

The management of groundwater resources in a territory requires the identification of groundwater bodies and their recharge and flow modalities. In karstic domain, the task is complicated by the presence of transmissive zones that favour rapid transfer in the different compartments of the karst. At the scale of a hydrosystem, the large geological structures (thrusts, faults, facies) and geomorphological or karstological structures (valleys, poljes) also impact the flows. In this context, hydrogeochemistry makes it possible to establish the signature of water bodies according to the origin of water, water-rocks interactions, and human activities. However, in Lower Provence, the geological history since the Oligocene has allowed the deposition of continental and marine sediments within the karstic structures, likely to disturb the chemical signal acquired by the water. In this thesis it is proposed to study the hydrogeology of the Huveaune river watershed, partly common to the watershed of the submarine springs of Port-Miou (Cassis). This area encloses a water resource defined as strategic by the Agence de l’Eau, near the metropolitan area of Marseille. The chosen approach is based on several complementary investigation methods on boreholes, surface water and springs. By including boreholes in the analysis, it is thus possible to improve the spatial distribution of observation and water sampling points, and to carry out pumping tests to test the aquifer in addition to the hydrogeochemical approach. The interpretation of pumping tests through the drawdown derivative (or diagnostic plot method), coupled with the flow modeling using analytical solutions has highlighted the non-univocal character of the interpretation, improved by including the geological context. The pumping tests in Aubagne alluvial plain’s highlight the high transmissivity of the paleochannels, which shows that in a carbonate context, filling of collapsed basins and poljes can constitute a local groundwater resource in quantity but potentially affected by agricultural activities. The multi-tracer hydrogeochemical analysis was based on monthly water samples from karstic springs, boreholes, rivers, and canals over the period 2018 to 2021. Major ions were systematically analysed, and supplemented with multiple isotope analysis: δ18O, δ2H; 87Sr/86Sr; δ34SSO4, δ18SSO4. Water stable isotopes are proving to be a major tool that allowed the establishment of a baseline graph for regional water bodies and quantification of the influence of irrigation on the alluvial plain. The strontium isotope signal of groundwater is influenced by the nature of karst filling and differs from the theoretical signature of Cretaceous and Jurassic reservoirs. The multi-tracer approach confirms the marine origin of the salinity observed in the Port-Miou springs. In addition, the stable isotope signature of rainwater was monitored using two rainfall collection stations at two different altitudes, representative of the study area. An infiltration model coupled with a monthly isotope budget highlighted the stable isotope depletion of the effective rainfall compared to precipitation. This signal is found in the groundwater studied and thus helps explain the a priori abnormal values of this water. In the context of climate change, this work will help local stakeholders to manage groundwater resources in a concerted and sustainable manner. The implementation of a qualitative and quantitative monitoring of the groundwater resource is strongly encouraged