L'objectif de cette thèse est d'étudier les mécanismes d'interaction entre une cavité résultant d'un effondrement karstique et une digue fluviale. Il s’agit d'évaluer le rôle potentiel des cavités sous les digues et leurs effets sur ces dernières dans des conditions hydrologiques normales et extrêmes. Par conséquent, le premier point est de proposer une méthode pour évaluer l'influence d'une digue sur la stabilité d’une cavité sous-jacente. Le deuxième point concerne la stabilité de la pente de la digue quand une cavité est présente à proximité, sans prise en compte de l'effondrement de la cavité. Afin d’atteindre les objectifs de la thèse, les influences respectives du positionnement de la cavité par rapport à la digue et des paramètres géométriques et géotechniques ont été étudiées, par des approches analytiques et numériques, pour une meilleure évaluation du risque de rupture de la digue. Une application est proposée, basée sur des observations in situ et des données disponibles pour le secteur du Val d'Orléans (France). Cette zone est protégée des crues de la Loire par 52 km de digues fluviales (les levées), il y a été recensé plus de 600 effondrements karstiques (fontis) de 0,5 à 20 m de diamètre. Les premiers résultats obtenus par la méthode analytique montrent que l'instabilité de la cavité peut augmenter de manière significative lorsqu’elle est se trouve sous le centre de la digue et que cela peut affecter la stabilité de la digue lorsqu'elle en est suffisamment proche. Nous montrons aussi que le risque d'instabilité de la digue augmente en raison de l’apparition des fontis provenant de l’effondrement de cavités karstiques. Ces résultats indiquent qu'il y a un effet significatif de la cavité sur la stabilité de la pente, surtout dans le cas de matériaux saturés (c’est-à-dire en période de forte crue de la Loire) : autrement dit, l’effondrement de la cavité peut contribuer à la rupture de la digue. Une modélisation numérique non linéaire (2D et 3D) a été utilisée pour valider l'approche analytique et permettre la compréhension de l’influence des différents paramètres géométriques et géotechniques de la digue et de la cavité. Les résultats de la modélisation numérique ont confirmé ceux de la méthode analytique. Ces derniers peuvent donc être utilisés dans l’évaluation du risque de rupture de la digue en tenant compte de la probabilité d’existence d'une cavité sous-jacente, de sa position, de son diamètre, mais aussi de l'épaisseur de la couche d'alluvions. Les données numériques prises en compte sont celles du Val d'Orléans / The objective of this thesis is to study the interaction mechanisms between a cavity resulting from a karst collapse and a fluvial dike. The question that arises here is to evaluate the potential role of cavities beneath the dikes and their impact on the dike stability in normal and extreme flood conditions. Therefore, the first main point of the present work is to create a method to assess the influence of a dike on the stability of a cavity beneath it. Thereafter the second main point is to evaluate the stability of the dike slope when a cavity appears underneath without taking into account the collapse of the cavity. To achieve the objectives of the thesis, the dike effect on the cavity stability was investigated by studying the influence of the cavity location relatively to the dike and the interaction mechanisms, in the way to prioritize the geometric and geotechnical parameters for a better evaluation of the risk of dike failure. Numerical and analytical approaches were used. An application is described based on the in situ observations and data for the Val d’Orléans area (France). This area is protected against the Loire’s floods by 52 km of earth dikes (levees), in this area, more than 600 karstic sinkholes from 0.5 to 20 m diameter have been identified. The first results of the analytical method show that the cavity instability can significantly increase when the cavity is located under the centre of the dike, and this can affect the stability of the dike when the cavity is sufficiently close to it. We also show that there is a significant effect of the cavity on the dike slope stability, especially in the saturation state (i.e. during extreme floods): cavity collapse can then contribute to dike collapse. A nonlinear numerical modeling (2D and 3D) was used to validate the analytical approach, and to highlight the influence of the different geometrical and geotechnical parameters of the dike and the cavity. The results of the numerical modeling confirmed those of the analytical method. As operational conclusion, the results of the analytical model can be used to help assessing hazard due to the dike collapse taking into account the likelihood of an existing cavity, its position and diameter, and the thickness of the alluvium layer, regarding the data from the Val d’Orléans area

La Zone Non Saturée (ZNS) peut jouer un rôle majeur pour la circulation et le stockage de l'eau dans les hydrosystèmes karstiques mais ces mécanismes restent peu connus. L'hydrogéophysique peut-elle permettre d'évaluer les variations spatiales et temporelles du stock de l'eau de la ZNS pour améliorer la compréhension de son fonctionnement ? En 2011 et 2012 différents outils ont été utilisés sur un site expérimental à l'aplomb du Laboratoire Souterrain à Bas Bruit de Rustrel (LSBB) dans le bassin d'alimentation de la Fontaine de Vaucluse afin d'en étudier la structure et le fonctionnement hydrogéologique. Ces investigations se sont déroulées selon une méthodologie comprenant quatre phases : (1) phase préliminaire d'étude géologique et hydrogéologique (2) caractérisation géophysique de la stucture géologique (3) caractérisation hydrogéophysique du fonctionnement hydrodynamique (4) synthèse par géomodélisation 3 D. Les résultats obtenus sur le site expérimental soulignent le potentiel de l'hydrogéophysique en milieu karstique et valident la méthodologie proposée. Les investigations ont permis d'identifier rapidement des structures géologiques pouvant jouer un rôle majeur dans la régulation des flux d'eau. Des variations saisonnières du stock d'eau ont été mesurées jusqu'à plusieurs dizaines de mètres dans la ZNS. Le suivi géophysique évènementiel a permis d'imager l'hétérogénéité spatiale et temporelle de la recharge. Enfin, la géomodélisation s'avère essentielle dans la méthologie proposée pour synthétiser les connaissances du site, finaliser le schéma de fonctionnement et poser les bases de futurs travaux de modélisation hydrodynamique dans la ZNS du karst. / Karst Unstatured Zone can play a major hydrodynamic role but water flow and storage mechanisms remains poorly known. Can hydrogeophysics help assessing the spatial and temporal waterstorage variation in UZ and improve understanding karst UZ functioning ? In 2011 and 2012, various tools have been employed on an experimental site above the low noise underground research laboratory of Rustrel (LSBB) within the Fontaine de Vaucluse catchment, in order to study the hydrogeological structure and functioning. These investigations were conducted using a methodology including four phases : (1) Preliminary study of geological and hydrogeological contexte, (2) Geophysical characterization of the geological features, (3) Hydrogeophysical characterization of the hydrodynamic functioning, (4) 3D geomodeling of the karst UZ. The acquired results highligth the potential of hydrogeophysical investigation in karst media and validated the proposed methology. These investigations allowed a fast identification of geological structures which may play a major role in water flow regulation. Seasonal variations in water storage were measured until several tens of meters deep within the UZ. Hydrogeophysical monitoring allowed imaging spatial and temporal heterogeneityof recharge; Finally, the geomodeling is essential within the proposed methology to synthesize site knowledge, finalize the conceptual functioning schema and lay the foundation for future work of hydrodynamicmodeling in karst UZ / La Zona No Saturada (ZNS) puede jugar un papel importante en la circulación y el almacenamiento del agua en los hidrosistemas kársticos, sin embargo sus mecanismos son poco conocidos. ¿La hidrogeofísica podría evaluar las variaciones espaciales y temporales del agua subterránea de la ZNS para mejorar la comprensión de su comportamiento?En el año 2011 y 2012, diferentes herramientas fueron utilizadas en un sitio experimental del Laboratorio Subterráneo de Bajo nivel de Ruido (LSBB, siglas en francés) ubicada en la cuenca de alimentación de la Fontaine de Vaucluse (Francia) con el propósito de estudiar su estructura y comportamiento hidrogeológico. Estas investigaciones fueron desarrolladas según una metodología compuesta de cuatro fases: (1) una fase preliminar de estudio geológico e hidrogeológico, (2) una caracterización geofísica de la estructura geológica, (3), una caracterización hidrogeofísica del comportamiento hidrodinámico, y (4) una síntesis por geomodelización 3D.Los resultados obtenidos en el campo validan la metodología utilizada y muestran la importancia del uso de la hidrogeofísica en el estudio del medio kárstico. Las investigaciones permitieron identificar rápidamente las estructuras geológicas que juegan un rol importante en la regulación de los flujos de agua. Las variaciones temporales del agua subterránea fueron medidas hasta varias decenas de metros de profundidad en la ZNS. El monitoreo geofísico de eventos puntuales permitió realizar una representación grafica de la heterogeneidad espacial y temporal de la recarga. Finalmente, la geomodelización es considerada como parte esencial en la metodología propuesta para sintetizar los conocimientos del área de estudio, finalizar el esquema del funcionamiento y proponer las bases de los futuros trabajos en modelización hidrodinámica de la ZNS del karst. / يمكن للطبقة غير المشبعة٬ في نظم المياه الجوفية ذات الطبيعة الجيرية (الكارست) أن تلعب دورا مهما في حركة و تخزين المياه الجوفية٬ لكن آليات عمل هذه الطبقة تبقى إلى حد ما مبهمة. إن السؤال الذي يبقى مطروحا : هل بإمكان علم الهيدروجيوفيزياء أن يمكننا من تقييم التغيرات في البعدين المكاني و الزمني لمخزون المياه في الطبقة غير المشبعة بغية تطوير فهمنا لآلية عملها؟خلال الفترة الممتدة بين سنتي 2011 – 2012 م٬ تم إستخدام العديد من الأدوات في حقل تجريبي على مستوى المختبر التحت أرضي عديم التشويش بروستال بفرنسا (LSBB de Rustel)٬ والذي يتواجد في حوض التغذية لمنبع الفوكلوز(Fontaine de Vaucluse) بغية دراسة بنية الطبقة غير المشبعة للكارست و كيفية أدائها فيما يتعلق بالمياه الجوفية. إن هذه الأبحاث نفذت بمنهجية مكونة من أربعة مراحل٬ و هن كالآتي: (1) المرحلة الابتدائية و تخص الدراسة الجيولوجية و الهيدروجيولوجية٬ (2) التوصيف الجيوفيزيائي للبنية الجيولوجية٬ (3) التوصيف الهيدروجيوفيزيائي لحركة الطبقة المائية٬ (4) الخلاصة من خلال إنشاء نموذج جيولوجي ثلاثي الأبعاد.إن النتائج المتحصل عليها في الموقع التجريبي أظهرت أهمية الهيدروجيوفيزياء في الوسط الكارستي و أكدت نجاعة المنهجية المقترحة. إن الأبحاث المنجزة٬ مكنت في وقت وجيز٬ من تحديد البنيات الجيولوجية التي يمكن أن تلعب دورا مهما في معادلة التدفقات المائية. من منظور آخر٬ مكنتنا الطريقة المقترحة من قياس التغيرات الموسمية للمخزون المائي في الطبقة غير المشبعة (ZNS) و ذلك على عمق عشرات الأمتار. إن الرصد الجيوفيزيائي الحدثي مكن من تصوير التغيرات المكانية و الزمنية لإعادة التغذية. أخيرا يظهر جليا أن النمذجة الجيولوجية ثلاثية الأبعاد ذات الأسس الجيولوجية٬ الهيدروجيولوجية و الجيوفيزيائية٬ أمر أساسي بالنسبة للمنهجية المقترحة من أجل حوصلة معلوماتنا بخصوص الموقع المدروس٬ تكملة مخطط التشغيل و وضع أسس الأعمال المستقبلية لنماذج حركة المياه خلال الطبقة غير المشبعة لأحواض المياه الجوفية ذات الطبيعة الجيرية (الكارست Karst).المفردات الرئيسية:الهيدروجيوفيزياء (علم جيوفيزياء المياه الجوفية)، الكارست (حوض مائي جوفي ذو طبيعة جيرية)، إعادة تغذية الطّبقة المائيّة، الطّبقة غير المشبّعة (ZNS)، النّمذجة الجيولوجيةGéomodélisation) )، منبع الفوكلوز (ontaine deF Vaucluse)، المختبر التحت أرضي عديم التشويش بروستال بفرنسا (LSBB de Rustel). / 非饱和带对喀斯特地区水分的运动和存储具有重要作用，但是这一机制仍然不太清楚。水文地球物理学方法是否有助于评估非饱和带水分存储的时空变异，并深化我们对喀斯特非饱和带功能的认识？为了研究沃克吕兹泉流域的水文地质结构和功能，分别于2011和2012年，在吕斯特勒地区地下低噪声试验室(lsbb)上方的试验点进行了各种试验。研究内容包括四个部分：(1)：初步的地质和水文地质调查；(2)：地质结构的地球物理方法勘探；(3)：水动力过程的水文地球物理监测；(4) 喀斯特非饱和带结构的三维模拟。研究结果表明，水文地球物理学方法在喀斯特地区的研究中具有很大应用潜力，并检验了我们提出的方法的可靠性。利用这种方法，对对水流调节起主要作用的地质结构进行了快速识别；对深达几十米的非饱和带储水量的季节性变化进行了监测；对地下补给过程的时空异质性进行了成像。最后，综合研究区的各种信息，建立地学模型，确定了水文地质结构和功能的概念模式，为后续喀斯特非饱和带水动力学过程模拟研究奠定了基础。

Cette thèse a pour but de contribuer à l'étude des réservoirs carbonatés karstiques par une approche intégrant modélisation géologique numérique 3D et hydrogéologie. Une méthodologie originale a été ainsi développée pour être appliquée à la caractérisation des ressources en eau souterraine de l'Unité du Beausset (Bouches-du-Rhône et Var, SE France). Cette méthodologie lie l'architecture géologique 3D du réservoir à ses propriétés hydrodynamiques extraites de son étude hydrogéologique. Cette zone est un synclinal de roches sédimentaires mésozoïques d'une épaisseur pouvant atteindre 3000m. Ces roches affleurent sur environ 650 km², et ont subi de nombreuses phases de fracturation et karstification. A partir de la synthèse des données existantes géologiques, hydrogéologiques et karstologiques, sept intervalles lithostratigraphiques ont été définis. Ces intervalles ont également été caractérisés hydrodynamiquement par l'analyse des séries temporelles de hauteur, température et conductivité électrique enregistrées en continu en sept sources représentatives. Cette caractérisation a été complétée par des campagnes exhaustives d'hydrochimie et de mesures de débit. L'ensemble des données et des résultats obtenus ont permis de définir où sont les unités de stockages et d'écoulement de l'eau souterraine. Ces dernières ont été intégrées de manière qualitative en 3D à l'aide d'un modèle surfacique de l'architecture géologique de l'Unité du Beausset. Cette intégration a permis de définir les meilleures zones de captage potentiel pour de nouvelles ressources en eau souterraine. / The aim of this PhD thesis is to provide an original approach for the characterization of karstic carbonate reservoirs that integrates 3D geological modeling and hydrodynamics. The 3D geological model stands for the structural compartmentalization of the reservoir and the hydrodynamics provide dynamic properties for the understanding of the fluid flow. This methodology is applied to the characterization of the groundwater resources of the Beausset Unit (SE France). The study area is a syncline composed of nearly 3000 m of Mesozoic sedimentary rocks, which age from late Triassic to Upper Cretaceous. These rocks, which are mainly carbonates, crop out over an area of 650 km² and have known several phases of fracturation and karstification. This study is divided in four parts: (1) synthesis of existing data, (2) 3D geological modeling, (3) study of hydrodynamics, and (4) integration of static and dynamic data in order to discuss the characterization of the groundwater resources in the Beausset Unit. The existing data on stratigraphy, lithology, petrophysical properties, karstology and hydrogeology allow the definition of seven lithostratigraphic intervals that have been chosen for modeling. These intervals represent the vertical compartmentalization of the reservoir: each interval has a unique combination of karst and rocks properties. The integration of all this data end results leads to the recognition of the flow and reservoir units in each lithostratigraphic interval. A qualitative link has been made between the 3D architecture of the basin and the reservoir properties; it allows the characterization of the best potential targets for new groundwater tapping zones.

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 / 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

Cette thèse a pour objet d’appliquer le nouveau paradigme de la fantômisation en Gironde (France), principalement aux calcaires tertiaires, et secondairement aux calcaires crétacés. La fantômisation transforme, par des processus vraisemblablement biochimiques, la roche saine en roche poreuse, en conservant le volume initial. On parle alors d’altération isovolumique ou « géoporose ». L’intérêt de la Gironde est de comporter de vastes étendues carbonatées plus ou moins karstifiées, dont l’Entre-deux-Mers et ses nombreuses grottes. Les calcaires de l’Oligocène inférieur montrent en carrière des phénomènes d’altération qui peuvent servir de modèle pour expliquer la genèse des cavités locales. L’intérêt de cette région est de présenter différents stades évolutifs de karstification par fantômisation, en fonction du potentiel hydrodynamique. On observe tous les stades en zone de plaine et de bas plateau : - des systèmes karstiques incipients, en phase de formation, situés en rive gauche de la Garonne, en zone de battement de nappe phréatique ; - des systèmes karstiques jeunes, en zone dénoyée, de type perte-résurgence, en Entre-deux-Mers ; - des systèmes karstiques complexes impliquant plusieurs étages calcaires fantômisés, du Crétacé supérieur à l’Oligocène et au Miocène, au sud de la Gironde ; - des paléokarsts du Pléistocène moyen probable, fossilisés par des sédiments ; - des paléokarsts précoces, correspondant à une phase préliminaire de sédimentation dans des zones fantômisées, récemment exondées par abaissement relatif du niveau phréatique (surrection). Tous ces stades d’évolution de la karstification permettent de bâtir en Gironde un modèle de spéléogenèse en fonction du paramètre hydrodynamique, qui commande l’évacuation mécanique de l’altérite. Ce nouveau regard sur la spéléogenèse offre l’occasion de mieux comprendre le fonctionnement des sources de rive gauche, qui présentent des débits réguliers très tamponnés. Le pompage des eaux souterraines, depuis plus de 30 ans, provoque un rabattement de la nappe phréatique, qui pourrait expliquer localement certains effondrements et l’assèchement de plusieurs sources. Ces aspects de génie civil montrent l’intérêt de cette problématique à la frontière recherche fondamentale / recherche appliquée. En effet, l’alimentation en eau de l’agglomération bordelaise provient exclusivement des terrains cénozoïques, et en particulier de l’Oligocène. / The aim to this PhD thesis is to apply the new ghost-rock alteration paradigm to the Gironde (SW France), first to tertiary limestone, then secondarily to cretaceous limestone. The ghost-rock alteration transforms, probably by biochemical processes, the unweathered rock to porous rock, keeping its original volume. This is also called isovolumic alteration or "geoporosis". The interest of the Gironde is that it presents large carbonated areas, more or less karstified, especially the Entre-deux-Mers limestone plateau and its numerous caves. In quarries, the limestone from early Oligocene shows alteration phenomena that can be used as a model to explain the genesis of local caves. The advantage of this area is to present different evolutionary stages of karstification by ghost-rock alteration, depending on the hydrodynamic potential. We can observe all the stages in plains and low plateau areas: - Incipient karstic systems, in genesis phase, situated on the left bank of the Garonne river, in the groundwater table variation level; - Young karstic systems in dewatered areas, lost-resurgence type, in the Entre-deux-Mers; - Complex karstic systems formed by several limestone layers, affected by ghost-rock alteration, from late Cretaceous to Oligocene and Miocene, in the south of the Gironde; - Palaeokarsts probably dating from middle Pleistocene, clogged with sediment; - Early palaeokarsts, corresponding to a preliminary phase of sedimentation into ghost-rock altered areas, recently dewatered by a relative lowering of the water table (uplift) . All these stages of karstic evolution in Gironde help us to build a speleogenesis model, based on hydrodynamic parameters controlling the mechanical removal of the alterite. This new look at the speleogenesis is an opportunity to better understand the functioning of the sources situated on the left bank, which have regular and highly buffered flows. The pumping of groundwater for more than 30 years, causing a lowering of the water table, could explain some local collapses and depletion of several sources. These aspects of civil engineering show the importance of this issue at the limit of fundamental / applied research. Indeed, the drinking water of Bordeaux agglomeration is provided exclusively from cenozoic grounds, and in particular oligocene limestone.

Made available in DSpace on 2017-07-21T18:15:37Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Henrique Pontes.pdf: 12166815 bytes, checksum: 43e10ab43df77d7ee3bcce52071a5be6 (MD5) Previous issue date: 2014-04-23 / This dissertation seeks to understand the spatial distribution of major karst features in Furnas Formation sandstones (Silurian/Devonian) in the Ponta Grossa city (Paraná State). This geological unit, composed of quartz sandstone cemented mainly by kaolinite, is characterized here as a regional karst system composed of several features, such as caves, dolines, sinkholes, depressions in the terrain, kamenitza, alveolus, dissolution conduits, ruiniform reliefs, among others. In this study was investigated only the caves, furnas (collapse dolines) and depressions in the ground, because such elements of karst landscape in question directly influence the management of the territory, because occupation and land use in places of occurrence of these three relief features provide many geo-environmental risks, able to generate economic, environmental and social losses. The carstogenesis of the Furnas Formation karst system undergoes at least three moments of development, with the presence of mechanical removal processes and dissolution, mainly kaolinitic cement, being: 1) rock alteration in underground environment (phantomization, specifically the arenisation in the sandstone), formed from lithologic discontinuities (sedimentary and tectonic structures); 2) process of underground erosion in epiphreatic environment (oscillation zone of the groundwater level) and; 3) arenisation process and mechanical removal caused by the action of rainwater and river water. In total 227 karst features were studied, among them 41 caves (including 14 dolines) and 186 depressions in the terrain. There is a connection between these features because they are aligned, accompanying major structural lineaments, thus showing a peculiar spatial configuration, with intrinsic relationship between each element. With the overlap of the spatial data of caves, dolines and depressions in the terrain with the map of tectonic structures, was possible to see that there is no exclusive relationship with the occurrence of karst features of the Furnas Formation with the Depression of Vila Velha, showing that the karst occurs in sandstones, even in areas where the basement is not carbonate rocks. The map of land use showed that over fifty percent of the landscape in question presents agriculture use and pastoral use, as there is also a large portion of reforestation with exotic. The urban area has a tendency to expand on the karst system and part of the industrial zone is located the rocks of the Furnas Formation. Finally, the present work obtained a map of Environmental Karstic Zoning (EKZ), which presents six specific areas in this landscape, highlighting which are the restrictions of land use in each area. / O presente trabalho busca entender a distribuição espacial das principais feições cársticas das rochas da Formação Furnas (Siluriano/Devoniano), no município de Ponta Grossa (PR). Esta unidade geológica, composta por arenitos quartzosos cimentados principalmente por caulinita, é aqui caracterizada como um sistema cárstico regional, composto por diversas feições, como: cavernas, furnas, sumidouros, depressões no terreno, bacias de dissolução, alvéolos, dutos de dissolução, relevos ruiniformes, entre outras. Neste estudo, optou-se em estudar apenas as cavernas, furnas (dolinas de abatimento) e depressões no terreno, pelo fato que tais elementos da paisagem cárstica em questão influenciam diretamente na gestão do território, pois a ocupação e uso do solo em locais de ocorrência destas três feições do relevo proporcionam riscos geoambientais diversos, capazes de gerar perdas econômicas, ambientais e sociais. A carstogênese do Sistema Cárstico da Formação Furnas passa por pelo menos três momentos de evolução, com presença de processos de remoção mecânica e dissolução, principalmente do cimento caulinítico, sendo: 1) alteração da rocha em ambiente subterrâneo (fantomização, especificamente no arenito a arenização), formada a partir de descontinuidades litológicas (estruturas sedimentares e tectônicas); 2) processo de erosão subterrânea em ambiente epifreático (de oscilação do nível freático) e; 3) processo de remoção mecânica ocasionada pela ação das águas pluviais e fluviais. No total foram trabalhadas 227 feições, dentre elas 41 cavidades subterrâneas (sendo 14 furnas) e 186 depressões no terreno. Observa-se que há uma conexão entre estas feições, pois estão alinhadas, acompanhando grandes lineamentos, mostrando assim uma configuração espacial peculiar, com intrínseca relação entre cada elemento. Com a sobreposição dos dados da espacialização das cavernas, furnas e depressões no terreno com o mapa das estruturas tectônicas, foi possível confirmar a hipótese que atesta não haver relação de exclusividade na ocorrência das feições cársticas da Formação Furnas com a Depressão de Vila Velha, mostrando que o carste ocorre nos arenitos, mesmo em áreas onde o embasamento não é carbonático. O mapa de uso do solo mostrou que mais de cinquenta por cento do relevo em questão apresenta uso com finalidade agropastoril, como também há uma grande porção de reflorestamento com exóticas. A área urbana apresenta tendência de expansão sobre o sistema cárstico e parte da zona industrial está sobre as rochas da Formação Furnas. Por fim, o presente trabalho obteve um mapa de Zoneamento Ambiental Cárstico (ZAC), o qual apresenta seis zonas específicas no relevo em questão, apontando quais são as restrições de uso do solo em cada área.

Cette thèse doctorale aborde divers aspects méthodologiques de l’analyse de levés électromagnétiques aéroportés en domaine temporel (TDEM) pour une interprétation détaillée à finalités géologique et hydrogéologique. Ce travail s’est appuyé sur un levé réalisé dans la région de Courtenay (Nord-Est de la région Centre) caractérisée par un plateau de craie karstifié (karst des Trois Fontaines) recouvert par des argiles d’altération et des alluvions. Tout d’abord, une méthode de filtrage des données TDEM utilisant la Décomposition en Valeurs Singulières (SVD) a été développée. L’adaptation rigoureuse de cette technique aux mesures TDEM a permis de séparer avec succès les bruits, qui ont pu être cartographiés, et le « signal géologique », diminuant grandement le temps nécessaire à leur traitement. De plus, la méthode s’est avérée efficace pour obtenir, rapidement, des informations géologiques préliminaires sur la zone. Ensuite, une analyse croisée entre le modèle de résistivité obtenu en inversant les données filtrées et les forages disponibles a été effectuée. Celle-ci a mené à une amélioration de la connaissance géologique et hydrogéologique de la zone. Une figure d’ondulation, séparant deux dépôts de craie, et le réseau de failles en subsurface ont pu être imagés, apportant un cadre géologique au karst des Trois Fontaines. Enfin, une nouvelle méthode combinant l’information aux forages et les pentes issues du modèle de résistivité EM a permis d’obtenir un modèle d‟une précision inégalée du toit de la craie. L’ensemble de ces travaux fournit un cadre solide pour de futures études géo-environnementales utilisant des données TDEM aéroportées, et ce, même en zone anthropisée. / This PhD thesis addresses various methodological aspects of the analysis of airborne Time Domain ElectroMagnetic (TDEM) surveys for a detailed interpretation in geological and hydrogeological purposes. This work was based on a survey conducted in the region of Courtenay (north-east of the Région Centre, France) characterized by a plateau of karstified chalk (karst des Trois Fontaines) covered by weathering clays and alluvium. First, a TDEM data filtering method using the Singular Value Decomposition (SVD) was developed. The rigorous adaptation of this technique to TDEM data has successfully separated the noise, which was mapped, and the “geological signal”, greatly reducing the time required for processing. Furthermore, the method has proved to be effective to obtain quick preliminary geological information on the area. Then, a cross analysis between the resistivity model obtained by inverting the filtered data and the available boreholes was conducted. This has led to the improvement of the geological and hydrogeological knowledge of the area. An undulating feature, separating two chalk deposits, and a fault network were imaged in subsurface, providing a geological framework for the Trois Fontaines karst. Finally, a new 3D modelling method combining the information at boreholes and the slopes derived from the EM resistivity model yielded an accurate model of the top of the chalk. All of this work provides a solid framework for future geo-environmental studies using airborne TDEM data, even in anthropized area.

Les aquifères karstiques représentent des ressources en eau essentielles dans de nombreuses régions du monde comme le bassin Méditerranéen. Cependant, de par les processus complexes de karstification, ces aquifères sont hétérogènes à de nombreuses échelles et vulnérables. Dans cette thèse, nous étudions le potentiel de la gravimétrie et du bruit sismique ambiant pour la modélisation hydrologique en milieu karstique.Le site dolomitique de l’observatoire « GEK », sur le bassin du Durzon dans le Larzac, est le site d’étude privilégié de ces travaux. Dans l’observatoire, un gravimètre supraconducteur dédié à l’hydrologie mesure depuis 2011 les variations de gravité en continu et à une très haute précision, pour la première fois sur un karst. Des modèles hydrologiques conceptuels ont été réalisés à partir de cette surveillance gravimétrique et ont permis de poser les bases de modèles physiques d’écoulements 1-D. En effet la gravimétrie, intégratrice, permet 1) de considérer l’épikarst localement hétérogène comme un milieu tabulaire équivalent et 2) de définir les types de transfert à l’œuvre sur le site. En particulier, l’absence de transfert rapide dans l’épikarst a été quantifiée avec précision pour la première fois à l’échelle du terrain (~100m). A l’aide de données météorologiques locales, un bilan de masse précis a permis de définir le flux en limite inférieure du modèle à 1 mm.jour-1. Ce flux s’est montré représentatif du débit de basses-eaux de la source drainant l’ensemble du bassin. Ce résultat suppose une homogénéité de l’épikarst dolomitique quasiment à l’échelle du bassin. Les paramètres des modèles physiques ont ensuite pu être calibrés à l’aide d’un an d’intercorrélation du bruit sismique ambiant entre deux stations. Les variations de vitesses de phase obtenues entre 6 et 8Hz nous ont servi de « chronomètre » pour suivre l’infiltration entre 30 et 60m de profondeur. La surveillance passive des variations de vitesses sismiques par intercorrélation du bruit sismique ambiant montre ainsi un fort potentiel pour l’étude des zones critiques profondes et complexes à l’échelle du terrain et peut combler la lacune instrumentale qui existe actuellement en hydrologie.Des campagnes répétées de mesures avec un gravimètre portable à ressort ont également mis en évidence le fonctionnement différent de deux épikarsts et leur variabilité à l’échelle de la centaine de mètres. Des mesures mensuelles autour de l’observatoire ont mis en évidence l’homogénéité spatiale de cet épikarst dolomitique : toutes les stations ont les mêmes variations temporelles de stock d’eau. Au contraire, des mesures saisonnières en surface et en profondeur le long de la galerie souterraine calcaire de l’abîme de Saint-Ferréol ont montré une variabilité spatiale forte du stockage ainsi que du transfert rapide. La lithologie de l’épikarst est donc suspectée de jouer un rôle dans sa capacité de stockage. Lors de ces campagnes, la faiblesse du signal recherché a nécessité une méthodologie précautionneuse et un effet de température sur les mesures des gravimètres relatifs à ressort a été observé sur le terrain et quantifié en laboratoire. / Karstic aquifers represent the most important fresh water reservoirs in many regions of the world like the Mediterranean Basin. However, because of complex processes of karstification, those aquifers are highly heterogeneous at all spatial scales and vulnerable to contamination. In this dissertation, we studied the potential of gravimetry and ambient seismic noise for hydrological modeling in karstic areas.The dolomitic area surrounding the “GEK” observatory in the Durzon catchment on the Larzac plateau, in France, is the preferred site for these studies. Inside the observatory, a superconducting gravimeter dedicated to hydrology has continuously measured gravity changes since 2011 with high precision, undertaken for the first time on a karst. From this gravity monitoring, we made conceptual hydrological models which laid the foundation of 1-D flow physical models. Indeed, gravimetry is an integrative hydro-geophysical method which allows 1) to consider the epikarst, locally heterogeneous as an equivalent tabular medium and 2) to define the types of transfer (fast & slow) occurring at the site. Especially, the lack of fast transfer through the GEK epikarst was precisely quantified for the first time at the field scale (~100m). Gravity-driven water mass balance with local meteorological data (evapotranspiration from a flux tower and precipitation) allowed setting the bottom outlet of the model to 1 mm.day-1. This flow has proved to be representative of the low-flow discharge at the only spring which represents all groundwater outflows from the catchment. This result supposes the homogeneity of the dolomitic epikarst almost at the basin scale. Model parameters were next calibrated using one year of ambient seismic noise monitored at two stations. Phase velocity changes obtained by cross-correlating the noise between 6 and 8 Hz were used as a ”timer” to follow the water infiltration between a depth of 30 and 60 meters. Thus, monitoring seismic velocity changes using ambient seismic noise demonstrates great potential for the study of deep and complex critical zones and could fill the instrumental gap currently existing in hydrology.Time-lapse gravity measurements with a spring-based portable gravimeter have also demonstrated the different behavior of two epikarsts and their variability at the scale of a few hundred meters. Monthly measurements around the observatory revealed the spatial homogeneity of this dolomitic epikarst: all the stations showed the same water storage changes. On the contrary, seasonal surface to depth gravity measurements along the underground passage of the Saint-Ferréol sinkhole, in limestone, have shown fast transfer and strong spatial variability of water storage. Lithology is then expected to play a part in the epikarst capacity to retain water. The precision needed to measure the weak hydrological induced signals during those surveys required robust methodology and an ambient temperature effect on measurements with spring-based gravimeter was observed in the field and quantified in the laboratory.

The Dinaric karst region in the Balkans is one of the hot spots of biodiversity with a high number of endemic freshwater fish. The major cause of the high degree of endemism are numerous paleoclimatic and geological events that have affected the formation of the entire area. Flows of karst poljes represent a specific ecosystem to which some fishes have adapted. The poljes have been periodically flooded and these floods may activate different underground channels, which lead to interconnection of poljes. These fish species spend a part of the year in surface water and a part in groundwater and they may use the underground flows between poljes for migration. The aim of this thesis is to evaluate the genetic variability of two endemic fish species of the genus Telestes living in karst poljes in the region of eastern Herzegovina, and to detect a possible current gene flow between populations of these species due to the connection of underground flows. For this purpose, the DNA from 102 individuals from five different localities was isolated. The mitochondrial marker cytochrom b and 16 microsatellite loci were used for the analyses. The results point to very low variability between species and populations. Based on mitochondrial marker analysis, no link between populations of the species was detected,...

<p>Лукавичко-луковски&nbsp; крас&nbsp; припада&nbsp; Динарском&nbsp; красу.&nbsp; Налази&nbsp; се&nbsp; у&nbsp; средишњем&nbsp; делу Црне&nbsp; Горе,&nbsp; у&nbsp; области&nbsp; површи&nbsp; и&nbsp; брда.&nbsp; Представља&nbsp; западни&nbsp; део&nbsp;&nbsp; Mорачких&nbsp; планина,&nbsp; у висинској зони од 820 до 2050&nbsp; m&nbsp; н.в. Ову област изграђују различите мезозојске карбонатне стене&nbsp; прекривене&nbsp; седиментима&nbsp; квартарне&nbsp; старости.&nbsp; На&nbsp; овом&nbsp; простору&nbsp; формирани&nbsp; су различити&nbsp; генетски&nbsp; типови&nbsp; рељефа&nbsp; са&nbsp; доминацијом&nbsp; крашког&nbsp; рељефа.&nbsp; Просторним&nbsp; и временским&nbsp; преклапањем&nbsp; крашког&nbsp; процеса&nbsp; са&nbsp; глацијалним&nbsp; процесом&nbsp; формиран&nbsp; је&nbsp; сложен глациокрашки&nbsp; рељеф.&nbsp; Плеистоценска&nbsp; глацијација&nbsp; оставила&nbsp; је&nbsp; значајне&nbsp; последице,&nbsp; а&nbsp; као најважнија је засипање краса моренским и претранспортованим моренским материјалом.Применом&nbsp; Schmidt&nbsp; Hammer&nbsp; теста&nbsp; утврђена&nbsp; је&nbsp; релативна&nbsp; хронологија&nbsp; различитих типова&nbsp; квартарних&nbsp; седимената.&nbsp; Реконструкцијом&nbsp; ерозивних&nbsp; и&nbsp; акумулативних&nbsp; облика глацијалног&nbsp; рељефа&nbsp; анализиран&nbsp; је&nbsp; интезитет,&nbsp; обим&nbsp; и&nbsp; број&nbsp; глацијалних&nbsp; фаза.&nbsp; Утврђено&nbsp; је постојање три старије глацијалне фазе и једне млађе, у временском распону од MIS 12 преко MIS&nbsp; 6&nbsp; и&nbsp; MIS&nbsp; 5d&nbsp; &ndash;&nbsp; 2&nbsp; до&nbsp; млађег&nbsp; дријаса.&nbsp; Засипање&nbsp; Лукавичко-луковског&nbsp; краса&nbsp; извршено&nbsp; је моренским&nbsp; материјалом&nbsp; и&nbsp; његовим&nbsp; претранспортовањем&nbsp; од&nbsp; стране&nbsp; флувијланог, денудационог и гравитационог процеса. Засипање је било делимично и потпуно. Делимично засипање извршено је субподинским моренама, док је потпуно засипање везано за просторе<br />чеоних&nbsp; и&nbsp; ивичних&nbsp; морена.&nbsp; Акумулација&nbsp; претранспортованог&nbsp; моренског&nbsp; материјала&nbsp; је највиши степен потпуног засипања краса када су поља, као највећи крашки облици рељефа, у потпуности засута.</p> / <p>Lukavičko-lukovski&nbsp; kras&nbsp; pripada&nbsp; Dinarskom&nbsp; krasu.&nbsp; Nalazi&nbsp; se&nbsp; u&nbsp; središnjem&nbsp; delu Crne&nbsp; Gore,&nbsp; u&nbsp; oblasti&nbsp; površi&nbsp; i&nbsp; brda.&nbsp; Predstavlja&nbsp; zapadni&nbsp; deo&nbsp;&nbsp; Moračkih&nbsp; planina,&nbsp; u visinskoj zoni od 820 do 2050&nbsp; m&nbsp; n.v. Ovu oblast izgrađuju različite mezozojske karbonatne stene&nbsp; prekrivene&nbsp; sedimentima&nbsp; kvartarne&nbsp; starosti.&nbsp; Na&nbsp; ovom&nbsp; prostoru&nbsp; formirani&nbsp; su različiti&nbsp; genetski&nbsp; tipovi&nbsp; reljefa&nbsp; sa&nbsp; dominacijom&nbsp; kraškog&nbsp; reljefa.&nbsp; Prostornim&nbsp; i vremenskim&nbsp; preklapanjem&nbsp; kraškog&nbsp; procesa&nbsp; sa&nbsp; glacijalnim&nbsp; procesom&nbsp; formiran&nbsp; je&nbsp; složen glaciokraški&nbsp; reljef.&nbsp; Pleistocenska&nbsp; glacijacija&nbsp; ostavila&nbsp; je&nbsp; značajne&nbsp; posledice,&nbsp; a&nbsp; kao najvažnija je zasipanje krasa morenskim i pretransportovanim morenskim materijalom.Primenom&nbsp; Schmidt&nbsp; Hammer&nbsp; testa&nbsp; utvrđena&nbsp; je&nbsp; relativna&nbsp; hronologija&nbsp; različitih tipova&nbsp; kvartarnih&nbsp; sedimenata.&nbsp; Rekonstrukcijom&nbsp; erozivnih&nbsp; i&nbsp; akumulativnih&nbsp; oblika glacijalnog&nbsp; reljefa&nbsp; analiziran&nbsp; je&nbsp; intezitet,&nbsp; obim&nbsp; i&nbsp; broj&nbsp; glacijalnih&nbsp; faza.&nbsp; Utvrđeno&nbsp; je postojanje tri starije glacijalne faze i jedne mlađe, u vremenskom rasponu od MIS 12 preko MIS&nbsp; 6&nbsp; i&nbsp; MIS&nbsp; 5d&nbsp; &ndash;&nbsp; 2&nbsp; do&nbsp; mlađeg&nbsp; drijasa.&nbsp; Zasipanje&nbsp; Lukavičko-lukovskog&nbsp; krasa&nbsp; izvršeno&nbsp; je morenskim&nbsp; materijalom&nbsp; i&nbsp; njegovim&nbsp; pretransportovanjem&nbsp; od&nbsp; strane&nbsp; fluvijlanog, denudacionog i gravitacionog procesa. Zasipanje je bilo delimično i potpuno. Delimično zasipanje izvršeno je subpodinskim morenama, dok je potpuno zasipanje vezano za prostore<br />čeonih&nbsp; i&nbsp; ivičnih&nbsp; morena.&nbsp; Akumulacija&nbsp; pretransportovanog&nbsp; morenskog&nbsp; materijala&nbsp; je najviši stepen potpunog zasipanja krasa kada su polja, kao najveći kraški oblici reljefa, u potpunosti zasuta.</p> / <p>The&nbsp; Lukavičko-lukovski&nbsp; karst&nbsp; belongs&nbsp; to the&nbsp; Dinaric&nbsp; karst.&nbsp; It occupies&nbsp; the&nbsp; central&nbsp; part&nbsp; of Montenegro&nbsp; within&nbsp; the&nbsp; area&nbsp; of&nbsp; plains&nbsp; and&nbsp; hills.&nbsp; Representing&nbsp; the&nbsp; western&nbsp; part&nbsp; of&nbsp; the&nbsp; Morača Mountains&nbsp; it&nbsp; is&nbsp; placed&nbsp; between&nbsp; 820&nbsp; to&nbsp; 2050&nbsp; m&nbsp; a.s.l.&nbsp; The&nbsp; area&nbsp; is&nbsp; built&nbsp; by&nbsp; different&nbsp; Mesozoic carbonate rocks and the overlying Quaternary sediments. Among different genetic types of relief, the karst one&nbsp; is prevailing. The spatial and temporal overlap of karst and glacial processes&nbsp; led to complex&nbsp; glaciokarst&nbsp; relief.&nbsp; Pleistocene&nbsp; glaciation&nbsp; left&nbsp; behind&nbsp; considerable&nbsp; changes&nbsp; including&nbsp; the karst filled by moraine and re-transported moraine material as the most significant. Implementing&nbsp; the&nbsp; Schmidt&nbsp; Hammer&nbsp; test&nbsp; the&nbsp; relative&nbsp; chronology&nbsp; of&nbsp; different&nbsp; Quaternary sediments was determined.&nbsp; The intensity, extent, and a number of glacial phases were analyzed by reconstruction&nbsp; of&nbsp; erosive&nbsp; and&nbsp; accumulative&nbsp; forms&nbsp; in&nbsp; glacial&nbsp; relief.&nbsp; The&nbsp; existence&nbsp; of&nbsp; three&nbsp; older glacial phases and a younger once, within&nbsp; the temporal range from MIS 12 over MIS 6 and&nbsp; MIS 5d &ndash;&nbsp; 2 to the Younger Dryas has been resolved. Filling of the Lukavičko -lukovski karst by moraine and&nbsp; re- deposited&nbsp; moraine&nbsp; material&nbsp; under&nbsp; fluvial,&nbsp; denudation,&nbsp; and&nbsp; gravity&nbsp; processes&nbsp; was&nbsp; partial&nbsp; to complete. The former take place by piedmont moraines, while the later were caused by terminal and lateral moraines. Accumulation of re-deposited moraine material&nbsp; is the highest stage of karst filling when karst polje as the largest karst landform becomes completely inhumated.</p>