Les réseaux karstiques s'organisent de manière hiérarchique et se comportent comme des drains pour l'écoulement des fluides souterrains. Cependant seule une partie limitée de ces réseaux karstiques est généralement humainement observable, et la connaissance globale d'un système reste limitée. Les simulations géostatistiques représentent un moyen d’étudier les différentes configurations des réseaux karstiques tridimensionnels (3D) probables et ainsi de déterminer les incertitudes sur le comportement du réservoir. Établir une telle démarche nécessite de comprendre les étapes de structuration d'un karst donné à partir de déterminations karstologiques permettant d'identifier la morphogenèse des formes exo- et endokarstique et de reconstituer l'évolution spéléogénétique d'un massif (spéléogenèse épigène ou hypogène, évolution du niveau de base, etc.). Cela a permis de définir une zonation de l'occurrence de l'organisation des structures karstiques (zone vadose, épiphréatique ou phréatique). En parallèle, l'analyse quantitative de géométries et de topologies de données 3D de cavités analogues a permis de comparer les différentes structures de réseaux karstiques et de fournir une base de données quantitative de caractéristiques morphologiques de cavités en fonction de processus spéléogénétiques. Deux approches géostatistiques ont été testées pour la simulation stochastique de réseaux karstiques. Elles reposent sur l'utilisation de méthodes classiques de géostatistiques basées-pixel : la simulation séquentielle d’indicatrice (SIS) et les simulations multipoints (MPS). / Karst networks are hierarchically organized and behave as drains for underground fluid flows. However, the humanly observed karst conduits represent only a limited part of the complete karst conduit system, and overall knowledge remains limited. Geostatistical stochastic simulations represent an interesting tool to study the different three-dimensional (3D) probable configurations of karst networks and then, to determine the uncertainties on the reservoir behaviors. This approach first requires understanding the successive stages of karst structuring of a reservoir and then to numerically reconstruct the 3D organization of karst structures. From karstological determinations, it is possible to identify the morphogenesis of the exo- and endokarst forms and to reconstitute the speleogenetic evolution of a massif (epigenic or hypogenic speleogenesis, evolution of the basic level, etc.). The speleogenetic reconstitutions then make it possible to identify the successive phases of the karst system structuration (epigenic or hypogenic speleogenesis, evolution of base level, etc.). In parallel, a quantitative analysis of the geometries and the topologies performed on 3D cave surveys permits to compare the different organizations of the karst network patterns, related to speleogenetic processes. This morphometric analysis provides a quantitative database of morphological characteristics according to their speleogenetic processes. Finally, two geostatistical approaches were tested to generate karst networks. They correspond to two classical pixel-based geostatistical methods: the sequential indicator simulation (SIS) and the multipoint simulations (MPS).

L'objectif principal de cette thèse est de proposer une nouvelle approche de modélisation de la spéléogenèse, susceptible à terme d'acquérir de nouvelles connaissances concernant la mise en place des systèmes karstiques méditerranéens.Il existe plusieurs approches de modélisations numériques de la spéléogenèse,prenant en compte des lois physiques et chimiques contrôlant l'écoulement et la dissolution au sein des aquifères fracturés carbonatés. Néanmoins, les réseaux de vides initiaux considérés par ces modèles ne correspondent en général pas à laréalité de la fracturation.L'approche proposée vise à simuler la karstogenèse au sein d'un aquifère caractérisépar un réseau fracturé, aussi réaliste que possible et satisfaisant des propriétés géométriques.Prenant en compte des paramètres statistiques et géométriques pouvant être obtenus par des observations sur le terrain et des expériences analogiques, il est possible de générer des réseaux 3-D réaliste en termes de position relative des diaclases, qui contrôlé la connectivité globale du réseau.Une fois les réseaux de fractures générés, ceux-ci sont traités afin de construire un maillage incorporé dans un modèle à éléments finis d'écoulement et de transport des eaux souterraines. Les simulations d'écoulement et de transport au sein des réseaux fracturés permettent de déterminer la distribution des vitesses d'écoulement ainsi que de l'âge de l'eau souterraines. Ces distributions sont utilisées pour simuler l'évolution de l'ouverture des différents éléments au moyen de l'application d'une loi empirique dédiée de forme polynomiale.Le calibrage de cette loi est effectué au moyen de tests de type benchmark portant sur des configurations de fracture unique, prenant pour référence des travaux existants, et réalisant des analyses de sensibilité. Des résultats de simulations prenant en compte une matrice carbonatée incorporant la fracture ou le conduit unique, et considérant différentes valeurs de perméabilité matricielle et différentes modalités de recharge, sont présentés.Enfin, des résultats obtenus considérant des configurations caractérisées par une strate carbonatée contenant des réseaux de fractures sont présentés, considérant différentes densités de fracturation, conductivités hydrauliques matricielles et conditions aux limites. / The main objective of this thesis is to provide an approach ofspeleogenesis modeling which would allow to bring new knowledge on the genesis of the Mediterranean karstic systems.Several numerical modeling approaches of speleogenesis exist. They take intoaccount physical and chemical laws for flow and dissolution in fractured carbonate aquifers. Nevertheless, the initial void networks considered by these models gene-rally do not correspond to the fracturing reality.The proposed approach aims to simulate karstogenesis in an aquifer characterizedby a fracture network, while matching field reality as closely as possible andrespecting geometrical properties. Using statistical and geometrical parameters obtained by field observations and analogical experiments, it is possible to generate3-D realistic networks in terms of the relative position of joints that control theoverall network connectivity.Once the fracture networks are generated, they are adapted and incorporated in a3-D ground water flow and transport finite element model. The flow simulationsin the fracture networks allow the determination of the spatial distribution of porevelocities for the initial configuration. This distribution, added to the distributedage of the groundwater, is used to simulate the evolution of the aperture of the different elements by the use of a dedicated empirical equation.The calibration of the empirical growth law is carried out considering initial testson single fractures, taking previous works as reference, and leading sensitivity analyses. Results of simulations taking into account a limestone matrix surrounding the conduit, and considering various values of hydraulic conductivity of the matrixand various recharge conditions, are presented.Then, results obtained considering configurations designed with a single stratum containing fracture networks are presented, considering various fracture densities,matrix hydraulic conductivities and boundary conditions.

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.

L'objectif principal de cette thèse est de proposer une nouvelle approche de modélisation de la spéléogenèse, susceptible à terme d'acquérir de nouvelles connaissances concernant la mise en place des systèmes karstiques méditerranéens.Il existe plusieurs approches de modélisations numériques de la spéléogenèse,prenant en compte des lois physiques et chimiques contrôlant l'écoulement et la dissolution au sein des aquifères fracturés carbonatés. Néanmoins, les réseaux de vides initiaux considérés par ces modèles ne correspondent en général pas à la réalité de la fracturation.L'approche proposée vise à simuler la karstogenèse au sein d'un aquifère caractérisé par un réseau fracturé, aussi réaliste que possible et satisfaisant des propriétés géométriques.Prenant en compte des paramètres statistiques et géométriques pouvant être obtenus par des observations sur le terrain et des expériences analogiques, il est possible de générer des réseaux 3-D réaliste en termes de position relative des diaclases, qui contrôlé la connectivité globale du réseau.Une fois les réseaux de fractures générés, ceux-ci sont traités afin de construire un maillage incorporé dans un modèle à éléments finis d'écoulement et de transport des eaux souterraines. Les simulations d'écoulement et de transport au sein des réseaux fracturés permettent de déterminer la distribution des vitesses d'écoulement ainsi que de l'âge de l'eau souterraines. Ces distributions sont utilisées pour simuler l'évolution de l'ouverture des différents éléments au moyen de l'application d'une loi empirique dédiée de forme polynomiale.Le calibrage de cette loi est effectué au moyen de tests de type benchmark portant sur des configurations de fracture unique, prenant pour référence des travaux existants, et réalisant des analyses de sensibilité. Des résultats de simulations prenant en compte une matrice carbonatée incorporant la fracture ou le conduit unique, et considérant différentes valeurs de perméabilité matricielle et différentes modalités de recharge, sont présentés. Enfin, des résultats obtenus considérant des configurations caractérisées par une strate carbonatée contenant des réseaux de fractures sont présentés, considérant différentes densités de fracturation, conductivités hydrauliques matricielles et conditions aux limites.