La source karstique du Lez, localisée dans le bassin Méditerranéen (sud-est de la France), fournit de l'eau potable pour la ville de Montpellier et son agglomération depuis le XIXe siècle. Depuis 1981, un pompage intensif est effectué directement dans le conduit principal au moyen d'une station souterraine de pompage, avec un débit maximal autorisé de 1,700 l/s. Afin de mieux caractériser la dynamique et l'origine des eaux souterraines, mais également d'évaluer l'impact de trois décennies d'un pompage intensif de l'aquifère, des prélèvements ont été réalisés dans différentes conditions hydrologiques depuis mars 2006. La source du Lez ainsi que d'autres sources et forages appartenant à ce système et aux systèmes karstiques voisins ont été régulièrement échantillonnées pour le suivi en continu des paramètres physico-chimiques, des éléments majeurs et en trace, du Carbone Organique Total (COT), des coliformes fécaux et totaux ainsi que des d18O, d2H, d13CTDIC et 87Sr/86Sr. Au moment des crues de reprise qui surviennent après l'étiage, des eaux fortement minéralisées sont identifiées à la source du Lez. Ce comportement singulier a été étudié à un pas de temps fin. L'utilisation d'analyses statistiques multivariées a permis de caractériser les différents types d'eau s'écoulant à la source du Lez. Une approche couplée intégrant les données hydrochimiques et isotopiques a permis de définir les différents types d'eau et les lithologies associées, ainsi que les principales réactions qui contrôlent la chimie des eaux souterraines. Parmi les cinq types d'eau identifiés, deux correspondant à des pôles géochimiques très contrastés, et sont à mentionner : le premier pôle correspond à des eaux géochimiquement plus évoluées, caractérisées par une forte minéralisation, un enrichissement marqué en Cl, Na, Mg, Li, B et Br, des rapports Sr/Ca, Mg/Ca et Cl/Br élevés ainsi que des valeurs en d13CTDIC et 87Sr/86Sr enrichies. Ces eaux, qui correspondent à une signature évaporitique, sont vraisemblablement issues d'un réservoir profond, et associées à un temps moyen de résidence important. Parmi toutes les sources et forages étudiés, cette signature chimique a été uniquement observée pour les eaux de la source du Lez. Le second pôle correspond à des eaux faiblement minéralisées, contenant de fortes concentrations en NO3, bactéries et COT, représentant le flux d'infiltration rapide. Elles soulignent la vulnérabilité du système à l'infiltration rapide et à la contamination anthropique via des systèmes de pertes et de réseaux de fractures bien développé. Des déconvolutions d'hydrogramme à l'aide de multiples traceurs ont été réalisées pour estimer les proportions de participation des deux ou trois pôles d'eau précédemment définis dans les multiples événements de crue survenus entre 2008 et 2010. En considérant les chlorures comme traceur, la participation moyenne des différents types d'eau à l'écoulement à la source est la suivante : 12% pour les eaux profondes, 5% pour les eaux nouvellement infiltrées et 83% pour les eaux de l'aquifère principal. La comparaison entre les données obtenues dans cette étude et les données obtenues avant l'installation de la station souterraine de pompage (données de 1973-1974) montre des changements notables dans la composition chimique des eaux de la source du Lez, en indiquant une diminution de la proportion de participation du réservoir profond aux écoulements à cette source. Cette modification de la composition chimique des eaux peut être attribuée au pompage intensif du système karstique et, en l'absence de changement climatique perceptible, traduit les conséquences directes de ce forçage anthropique sur le fonctionnement général de l'aquifère. L'approche multi-traceurs combinée à l'hydrodynamique apparaît comme un outil très efficace pour caractériser les écoulements souterrains et leurs origines, et semble être potentiellement applicable à d'autres systèmes karstiques complexes similaires comprenant des compartiments profonds qui contribuent à l'écoulement de la source, notamment sur le pourtour méditerranéen où la crise messinienne à permis la mise en place d'une karstification profonde.

La première étude du fonctionnement de la zone non saturée (ZNS) des aquifères karstiques, par accès direct, a été réalisée dans la galerie souterraine du LSBB, sur le bassin expérimental de la Fontaine de Vaucluse. Cette galerie recoupe arbitrairement le réseau karstique et les écoulements de la ZNS. Ceux-ci sont répartis tout au long de la galerie sous différentes épaisseurs de roche calcaire (de 30 à 514 m). 45 points d'écoulements ont été prélevés au moins une fois. Les suivis hydrodynamiques et hydrochimiques sur 8 ans montrent : (i) l'organisation des écoulements en fonction de la profondeur et de la densité de fracturation, (ii) les modalités de réponses hydrodynamiques et hydrochimiques des écoulements en fonction des précipitations et de l'état initial du système, (iii) la nécessité de prendre en compte la non-linéarité des réponses impulsionnelles dans la modélisation.Trois composantes d'écoulement sont caractérisées : (i) une composante lente, pérenne et caractérisée par des longs temps de séjour, (ii) une composante rapide, active seulement en période de très forte recharge, marquée par les traceurs d'infiltration et caractérisée par de faibles temps de séjour, (iii) une composante intermédiaire, associée à des comportements hystérétiques, également marquée par les traceurs d'infiltration et caractérisée par des temps de séjour intermédiaires. Ces observations directes justifient la prise en compte du phénomène d'hystérèse dans la modélisation de la ZNS. Confirmant des modèles conceptuels existants, ce travail contribue au développement d'un modèle de fonctionnement de l'aquifère karstique, qui devra à terme être transposable aux autres systèmes méditerranéens.

La première étude du fonctionnement de la zone non saturée (ZNS) des aquifères karstiques, par accès direct, a été réalisée dans la galerie souterraine du LSBB, sur le bassin expérimental de la Fontaine de Vaucluse. Cette galerie recoupe arbitrairement le réseau karstique et les écoulements de la ZNS. Ceux-ci sont répartis tout au long de la galerie sous différentes épaisseurs de roche calcaire (de 30 à 514 m). 45 points d’écoulements ont été prélevés au moins une fois. Les suivis hydrodynamiques et hydrochimiques sur 8 ans montrent : (i) l’organisation des écoulements en fonction de la profondeur et de la densité de fracturation, (ii) les modalités de réponses hydrodynamiques et hydrochimiques des écoulements en fonction des précipitations et de l’état initial du système, (iii) la nécessité de prendre en compte la non-linéarité des réponses impulsionnelles dans la modélisation.Trois composantes d’écoulement sont caractérisées : (i) une composante lente, pérenne et caractérisée par des longs temps de séjour, (ii) une composante rapide, active seulement en période de très forte recharge, marquée par les traceurs d’infiltration et caractérisée par de faibles temps de séjour, (iii) une composante intermédiaire, associée à des comportements hystérétiques, également marquée par les traceurs d’infiltration et caractérisée par des temps de séjour intermédiaires. Ces observations directes justifient la prise en compte du phénomène d’hystérèse dans la modélisation de la ZNS. Confirmant des modèles conceptuels existants, ce travail contribue au développement d’un modèle de fonctionnement de l’aquifère karstique, qui devra à terme être transposable aux autres systèmes méditerranéens. / The first study of karst aquifers unsaturated zone (UZ) functioning, by direct access, was conducted on the experimental area of the Fontaine de Vaucluse, including the underground gallery of the LSBB. This gallery intersects arbitrarily, within the UZ, the karst network and flow paths. Observed flows are distributed throughout the gallery corresponding to different limestone thicknesses (30 to 514m). 45 flow points were observed and followed at least once. The hydrodynamic and hydrochemical monitoring over 8 years show that: (i) the flows spatial and temporal organisation is a function of depth and the fracturing density, (ii) the hydrodynamic and hydrochemical flows signatures are based on rainfall amount also as the initial state of the system (iii) in order to precise the conceptual model of karst aquifers is necessary to consider the nonlinearity of the hydrodynamic system’s responses.Three flow components are deduced: (i) a slow component, permanent, which is active regardless of hydrological conditions, and is characterized by significant residence time, (ii) a fast component, active only during strong recharge periods as marked by infiltration tracers. This component is characterized by low residence time and (iii) an intermediate component, highlighted by hysteretic behavior, as marked also by the infiltration tracers and is characterized by intermediate residence times. Considering the hysteresis phenomenon in UZ modeling by these direct observations confirms earlier conceptual models. The ultimate goal is to contribute to the development of a karst aquifer model, which could be transposed to other Mediterranean karst systems.

Il est communément admis que la recharge des aquifères carbonatés est contrôlée par la zone non saturée, siège d’une mise à l’équilibre des phases liquides, solides et gazeuses. L’épikarst, zone superficielle de ces aquifères, recueille les pluies efficaces et les transfère en profondeur via une double porosité de fissure et de fracture. Des épandages détritiques sablo-argileux fossilisent souvent les paléo-reliefs, changeant ainsi les caractéristiques des zones d’infiltration. Toutefois, les données sur ces dépôts superficiels sont rares, et leur impact sur les modalités de recharge en contexte karstique est aujourd’hui mal connu et peu décrit.La célèbre grotte préhistorique ornée de Lascaux offre une fenêtre d’observation à l’intérieur de l’épikarst et constitue ainsi un site privilégié pour le suivi des processus de transferts. La grotte fait partie d’un réseau karstique fossile partiellement comblé par du matériel détritique sablo-argileux. Les parties basses de la cavité montrent des fortes teneurs en CO2 dans l’air, supérieures à 8% (80 000 ppmv) lors de certaines périodes estivales. Cette thèse propose une étude des caractéristiques de l’infiltration en milieu karstique grâce au suivi des variations chimiques et isotopiques d’une émergence épikarstique au plafond de l’entrée de la grotte. Les principaux objectifs sont la compréhension de la dynamique des fluides en transit dans l’épikarst, la recherche de la source des fortes teneurs en CO2 ainsi que la détermination du rôle des épandages détritiques dans les modalités de recharge de l’aquifère karstique.Après avoir mener une étude approfondie de l’environnement géologique et géomorphologique du site, l’analyse hydroclimatique, combinée au suivi bimensuel de la chimie et des variations isotopiques des eaux épikarstiques, a permis d’investiguer le fonctionnement de la zone d’infiltration du karst d’un point de vue des transferts de masse.Les premières observations montrent que l’émergence épikarstique n’est pas pérenne avec un tarissement qui débute au début de l’été. Le système nécessite environ 250 mm de recharge automnale pour se réactiver. Le signal 18O à l’émergence est fortement amorti comparé au signal 18O dans les pluies ce qui démontre la création d’une réserve épikarstique qui conduit à l’homogénéisation chimique des eaux. Ainsi, les transferts de masse sont lents dans ce système caractérisé par un comportement de type fissuré et non karstique. Les données de 13C collectées à l’émergence permettent de retracer les conditions physico-chimiques qu’ont rencontrées les eaux au cours de leur transit. Elles montrent différentes origines possible de l’infiltration et révèlent des phénomènes de dégazage – précipitation lors des périodes de fortes pluies.De plus, les eaux épikarstiques sont fortement sursaturées vis-à-vis de la calcite et leur forte minéralisation résulte de la mise à l’équilibre avec une pCO2 importante (5% en moyenne). De telles valeurs ne correspondent pas à la production de CO2 du sol. L’autre origine supposée est les épandages détritiques sablo-argileux où des teneurs importantes en CO2 ont été mesurées (pCO2air de 4 à 8%). De plus, la présence d’eau dans ces niveaux suggère que le système est en partie alimenté par ces formations. Ainsi, le transit des eaux au travers de milieux aux conditions physico-chimiques très contrastés pourrait être à l’origine de la sursaturation des eaux qui entrent dans la cavité.Enfin, l’étude montre que les épandages détritiques tiennent deux rôles majeurs dans les processus d’infiltration des eaux : (i) ils participent à leur homogénéisation en les stockant proche du sol et (ii) ils fournissent un fort potentiel de karstification au système. / It is widely recognized that the recharge of deep carbonated aquifers is controlled by a non saturated zone in which liquids, solids and gases are exchanged to attain equilibrium. The epikarstic zone, which represents the bottom of these aquifers, collects the efficient rain waters and transfers them deeper through a dual fractured and fissured porosity. Sandy-clayey detritic coatings are often observed to fossilize the paleo-relief changing the features of the infiltration zones. However, field data on these superficial deposits are sparse and their impact on the recharge modalities in karstic context is not yet well known and described.The famous prehistoric painted cave of Lascaux (France) provides a window into the epikarstic system and offers a privileged environment for the monitoring of transfer processes. The Lascaux cave is part of a fossil karstic network partly filled with detritic material and it is known to have high CO2 concentrations, greater than 8% (80,000 ppmv) in some summer periods, when measured in the air of the lower parts of the cave. Here, we study the epikarstic seepage traits monitoring the chemical and isotopic variations in waters which seep from the entrance roof of the cave. The aims of this work are to understand the dynamics of the fluids in the epikarstic system, to find the source of the high CO2 concentrations measured into the cave and to understand how the detritic coatings impact on the recharge modalities. After carried out an in-depth geological and geomorphological study of the site, the use of hydroclimatic analysis combined with the semi-monthly hydrochemical and isotopic monitoring of the epikarstic waters allowed us to investigate the karstic infiltration zone functioning in term of matter transfer. First, we observed that the epikarstic emergence is non perennial and dries up at the beginning of summer. The system needs an approximately 250 mm recharge in autumn before seeing flows at the emergence. The 18O signal at the emergence is highly amortized compared to the rain 18O signal which reveals the creation of an epikarstic water table that chemically homogenises waters. Thus, the mass transfers are slow in this system characterized by a fissured and nonkarstic behaviour type. The 13C data obtained at the epikarstic emergence seem to characterize the physicochemical conditions of the environments in which waters circulate during their transit in the system. They confirm the possible various origins of waters and reveal degassing – precipitation phenomena during rising periods.Moreover, épikarstic waters are always supersaturated with respect to the calcite and the the high bicarbonates and calcium concentrations result from water equilibrate with an important pCO2 at saturated state (5% on average). Such values of pCO2 do not correspond to the soil CO2 production. The other supposed origin is the sandy clayey detritic formations where we measured important pCO2 (data range from 4 to 8% in the atmosphere of the coatings). Furthermore, the presence of water in the sandy levels of the coatings suggests that the system can be partly fed by these formations. The transit of water through two physicochemicaly highly contrasted environments would be at the origin of the general flows supersaturation state in the cave.Finally, the study shows that the detritic coatings are involved in two aspects of the epikarstic waters run-off conditions: (i) they homogenize them while retaining near to the soil and (ii) give to them a very high karstification potential.

Le principal objectif de ce travail est le développement, l'application et la validation de nouveaux traceurs hydrogéologiques sur la base de signatures spectrales spécifiques des matières organiques dissoutes (MOD) et du suivi de leur évolution dans les hydrosystèmes karstiques méditerranéens. Pour cela, de nombreuses analyses hydrodynamiques et hydrochimiques ont été réalisées, et plusieurs méthodes de caractérisation de la MOD ont été utilisées. Le travail s'est alors fondé sur l'étude de différents niveaux du bassin expérimental de la Fontaine de Vaucluse (sol, épikarst et zone non saturée), grâce à un accès privilégié rendu possible par le Laboratoire Souterrain à Bas Bruit de Rustrel-Pays d'Apt (Vaucluse, France). Un bon traceur hydrogéologique requiert des caractéristiques particulières (solubilité dans l'eau, stabilité, tendance faible à l'adsorption, limite de détection faible et des variations bien identifiables). Les composés organiques correspondant le mieux à ces critères sont des substances dérivées de la décomposition de la lignine. Leurs différentes caractéristiques et leurs faibles concentrations dans l'hydrosystème poussent à utiliser des modes de détection suffisamment sensibles tels que la spectrométrie de fluorescence et la Résonance Paramagnétique Électronique (RPE). L'application conjointe des analyses en RPE et en spectrofluorimétrie sur les lixiviats de sols et les eaux souterraines du LSBB permet de proposer deux protocoles de traçages hydrogéologiques. Le premier concerne la détermination des zones superficielles de sol appartenant au bassin d'alimentation des écoulements suivis. Le second, s'appuyant notamment sur l'évolution et la dynamique des MOD dans l'hydrosystème, correspond au développement de traceurs quantitatifs du temps de transit de l'eau pouvant s'appliquer de manière évènementielle par le marquage d'une période particulière de leur variation, ou en continu permettant ainsi le suivi des variations du temps de transit. Enfin, le rapprochement des résultats obtenus par ces nouveaux traceurs organiques avec ceux d'un traceur isotopique (l'oxygène 18) a permis de tester la validité des calculs du temps de transit, mais aussi de démontrer leur complémentarité

Le principal objectif de ce travail est le développement, l'application et la validation de nouveaux traceurs hydrogéologiques sur la base de signatures spectrales spécifiques des matières organiques dissoutes (MOD) et du suivi de leur évolution dans les hydrosystèmes karstiques méditerranéens. Pour cela, de nombreuses analyses hydrodynamiques et hydrochimiques ont été réalisées, et plusieurs méthodes de caractérisation de la MOD ont été utilisées. Le travail s'est alors fondé sur l'étude de différents niveaux du bassin expérimental de la Fontaine de Vaucluse (sol, épikarst et zone non saturée), grâce à un accès privilégié rendu possible par le Laboratoire Souterrain à Bas Bruit de Rustrel-Pays d'Apt (Vaucluse, France). Un bon traceur hydrogéologique requiert des caractéristiques particulières (solubilité dans l'eau, stabilité, tendance faible à l'adsorption, limite de détection faible et des variations bien identifiables). Les composés organiques correspondant le mieux à ces critères sont des substances dérivées de la décomposition de la lignine. Leurs différentes caractéristiques et leurs faibles concentrations dans l'hydrosystème poussent à utiliser des modes de détection suffisamment sensibles tels que la spectrométrie de fluorescence et la Résonance Paramagnétique Électronique (RPE). L’application conjointe des analyses en RPE et en spectrofluorimétrie sur les lixiviats de sols et les eaux souterraines du LSBB permet de proposer deux protocoles de traçages hydrogéologiques. Le premier concerne la détermination des zones superficielles de sol appartenant au bassin d’alimentation des écoulements suivis. Le second, s'appuyant notamment sur l'évolution et la dynamique des MOD dans l'hydrosystème, correspond au développement de traceurs quantitatifs du temps de transit de l'eau pouvant s’appliquer de manière évènementielle par le marquage d’une période particulière de leur variation, ou en continu permettant ainsi le suivi des variations du temps de transit. Enfin, le rapprochement des résultats obtenus par ces nouveaux traceurs organiques avec ceux d'un traceur isotopique (l'oxygène 18) a permis de tester la validité des calculs du temps de transit, mais aussi de démontrer leur complémentarité / The aim of this study is to develop, apply and validate new hydrogeological tracers, based on specific spectral fingerprints of Dissolved Organic Matter (DOM), and a monitoring of their evolution in Mediterranean karstic hydrosystems. Many hydrodynamic and hydrochemical analyses were made, and several DOM characterization methods were used. The basis of this work is therefore the study of different levels of Fontaine de Vaucluse experimental basin (soil, epikarst and unsaturated zone), thanks to a privileged access : the Low-Noise Underground Laboratory of Rustrel - Pays d’Apt (Vaucluse, France). Good hydrogeological tracers require specific characteristics (water solubility, stability, a low tendency to adsorption, a low detection limit and identifiable variations). Organic compounds, corresponding to these criterions at best, are lignin-derived compounds. Their different characteristics and their low concentrations in the hydrosystem drive us to use sensitive enough detection methods, such as fluorescence spectrometry and Electronic Paramagnetic Resonance (EPR). Linked application of EPR and spectrofluorimetric analyses of leachate soil and LSBB groundwater allow to develop two hydrogeological tracing protocols. The first one concerns the determination of upper soil zone, which belongs to monitoring flow catchment area. The second one, using the evolution and the dynamics of DOM in the hydrosystem, corresponds to the development of transit time qualitative tracers, which apply either in an event-driven way by the marking of specific period of their variations, or continuously allowing the monitoring of transit time variations. Finally, the comparison between the results obtained by these new organic tracers and by an isotopic tracer (18 Oxygen) allows to validate transit time calculations and prove their complementarity