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    Topographie et mesures gravimétrique sur le site du Larzac

 

 

Responsable du site du Larzac : Jean Chéry

Le site du Durzon correspond à un aquifère karstique d’une superficie de 100 km2 qui alimente la source du Durzon (débit moyen 1.4 m3/s). Cette source fournit de façon naturelle l’alimentation en eau potable de la partie aveyronnaise du Larzac. Ce site dispose d’un suivi du débit de la source (Parc Naturel des Grands Causses). Le laboratoire Géosciences Montpellier assure un suivi pluviométrique, la mesure des écoulements souterrains, la mesure des déformations associées à la recharge par inclinométrie, et la mesure de la gravité sur des sites aériens et souterrains. Des suivis hydrologiques et géochimiques complémentaires sont assurés par le laboratoire Hydrosciences Montpellier. L’enjeu scientifique principal concerne la dynamique du transfert et du stockage de l’eau principalement dans la zone non-saturée.

1. Objectifs scientifiques

Le karst du Larzac est localisé dans la région des Grands Causses au sud du Massif Central. L’aquifère étudié se situe dans les formations calcaires et dolomitiques du Jurassique moyen et supérieur, d’épaisseur de l’ordre de 400m. Ces formations reposent sur la série marneuse du Lias supérieur, de 200 m d’épaisseur (Bruxelles, 2001a). Ce niveau sédimentaire agit comme une barrière imperméable et définit la limite de la zone saturée du système karstique. La structure monoclinale régionale est recoupée par des chevauchements E-W d’age pyrénéen faisant remonter  au nord les marnes du lias étanches. Le soulèvement Neogene et Plio-Quaternaire a provoqué une incision du plateau et la création de canyons (Ambert et Ambert, 1995), facilitant ainsi la karstification, compte tenu du gradient de charge hydraulique entre la zone de recharge (plateau) et de décharge (canyons). La recharge d’origine pluviométrique infiltre le sol du plateau (750m) tandis que la décharge s’opère à la source du Durzon (530m). Le débit moyen mesuré à cette  source de type vauclusienne est  de 1.4 m3/s mais varie entre 0.8 et 18 m3/s. Les expériences de traçage, les observations géomorphologiques et les bilans de masse ont permis d’estimer l’aire de recharge à 100 km2  (Ricard and Bakalowicz, 1996). Durant certains événements pluviométriques exceptionnels, des lacs temporaires se forment au sud de la zone de recharge (Bruxelles, 2001a), suggérant que la zone non saturée (epikarst et zone d’infiltration) n’a donc pas les mêmes propriétés hydrauliques au sud et au  nord (Bruxelles, 2001b; Ricard and Bakalowicz, 1996).

Les principaux objectifs scientifiques des expériences et des suivis pratiqués sont les suivants :

L’objectif général du projet est de mieux comprendre les processus qui contrôlent les variations spatio-temporelles du stock d’eau dans les milieux karstiques en observant in-situ des quantités hydrologiques, géophysiques et géodésiques associées aux flux d’eau à l’intérieur du karst. Les points suivants seront spécifiquement étudiés :

  • Le rôle respectif joué par la zone non saturée (épikarst et zone d’infiltration) et la zone noyée. Nous souhaitons étudier en particulier l’épikarst pour lequel nos études montrent la contribution importante sur des cycles saisonniers à interannuels.
  • L’eau infiltre la zone non saturée d’une façon multi-modale, incluant la diffusion lente dans le milieu poreux, du transport plus ou moins rapide dans les micro-fissures et fissures. Nous voulons caractériser la contribution respective des divers modes de transport en termes de variation de masse d’eau et de temps de transfert caractéristiques.
  • Une approche multidisciplinaire de l’épikarst et de la zone d’infiltration appuyée sur l’étude structurale, pétrophysique et hydraulique de ces niveaux. Le projet fait appel à des outils complémentaires de la géodésie (gravimétrie, inclinométrie) et de la géophysique (méthodes électriques, méthodes sismiques, méthode de Résonance Protonique) en surface et en forage et de l’hydrogéologie. Il mobilise aussi des outils d’observation géodésique ou hydrogéologique in-situ.
  • L’investigation du milieu karstique hautement hétérogène pose le problème du changement d’échelle de nos observations. Nous mettons actuellement en place un site expérimental « local » où les méthodes d’investigation à caractère intégrant, comme la gravimétrie, seront confrontées aux observations géophysiques de surface ou en forage.
  • A plus grande échelle, le karst du Larzac constitue un système où les conditions hydrauliques aux limites sont bien connues. Nous proposerons un modèle global de circulation combinant les divers modes de transport,  les observations à différentes échelles, en particulier les variations spatio-temporelles de la pesanteur à l’échelle régionale.

 

2. Les suivis effectués et principales expérimentations menées sur site

« L’observatoire » karstique du Larzac a pris son essor en 2006 lors de la mise en chantier du projet ANR ECCO PNRH intitulé  « Hydrologie et Géodésie » par Géosciences Montpellier et Hydrosciences Montpellier et s'est poursuivi par l'ANR HydroKarstG² entre 2009 et 2012. Il s’agissait déjà d’installer des sites d’observations gravimétriques et inclinométriques permettant d’analyser les variations spatio-temporelles du stockage d’eau et de la déformation associée du sous-sol. Ces instruments ont été complétés par d’autres outils à caractère géodésique (GPS), météorologique et hydrogéologique, visant à déterminer ponctuellement 1) les mouvements verticaux du sol 2)  la distribution spatio-temporelle de la pluie sur le karst 3) la variation de la profondeur de la zone noyée et 4) les propriétés temporelles des flux d’eau dans la zone d’infiltration

Figure 1: Ensemble des sites d’observations temporaires ou permanents, au sol ou in-situ : pluviomètres (triangle violets), capteurs de pression (triangles bleus ; forage des Menudes -40m; aven de la Bise -150 m), station météorologique(PTU) et récepteur GPS (SALV), limnigraphe (Source du Durzon) ; JASSE observatoires gravimétriques et géophysique du projet Hydrokarst G2 (projet ANR « programme Blanc 2008 »). Observations gravimétriques relatives et absolues : CG5 FG5 et Gphone : points SALV, BLAQ, CANA ; observations gravimétriques différentielles « verticales » in Situ CG5 (aven des Baumelles), réseau gravimétrique relatif CG5 et A10 (points rouges), observations inclinométriques (ronds gris, avens Titou, des Infruts et de la Portalerie(PORTA)), débitmètres in–situ (avens Titou, bise et de la Baumelle).

 

Les observations répétées

  • 3 sites (CANA, BLAQ, SALV) mesurés avec un gravimètre absolu (FG5 228, Géosciences Montpellier Parc Gmob/DT/INSU) avec un cycle de mesure inférieur à 2 mois
  • 1 Site (BEAU) pour la mesure gravimétrique différentielle verticale sur un cycle semestriel (CG5, Parc Gmob/DT/INSU)
  • 1 Réseau Gravimétrique de Haute Précision (RGHP) de 40 stations répétées sur un cycle semestriel (CG5, Parc Gmob/DT/INSU, A10, IGN/IPGP/IRD)

Les observations permanentes

  • Un observatoire hydrogéodésique (gravimétrie, tomographie électrique, évapotranspiration, Gps, sismomètre)
  • 3 couples inclinométriques (PORTA, TITOU,INFRUTS) mesurés avec des inclinomètres de type hydrostatique (Geosciences Montpellier)
  • 5 pluviomètres complétés par le pluviomètre de La Cavalerie
  • 2 stations GPS (RENAG) couplée avec une station météorologique (Pression, Température, Humidité) (SALV)
  • 2 débitmètres (TITOU, BEAUMELLES) mesurant l’écoulement d’eau (stalactites)
  • 4 capteurs de pression en forage (- 40m, LES MENUDES et -20 -50m à la JASSE)
  • 1 Limnigraphe en aven (-150 m, LA BISE)
  • 1 Limnigraphe à la source du Durzon permettant de mesurer le débit à la source (Parc naturel régional des Grands Causses)

Figure 2: a) gravimètre absolu FG5 Micro-g Solution Inc. Mesurant au site SALV ; b) gravimètres CG5 Scintrex utilisés pendant la ré-itération du réseau RGHP; c) ligne inclinométrique à l’aven Titou .

 

Remarques: Les observations gravimétriques s’appuient sur les instruments du parc national gravimétrique mobile Gmob (DT/INSU). Les sites gravimétriques absolus de « l’Observatoire Larzac » sont intégrés à la ligne de base gravimétrique  nationale Montpellier-Observatoire du Mont Aigoual permettant de calibrer les gravimètres relatifs nationaux et des instituts étrangers.

Sur le plan technologique, l’observatoire donne lieu à des inter-comparaisons de différents instruments gravimétriques relatifs et absolus (voir expériences programmées). Un effort important est actuellement réalisé dans les domaines de la télétransmission des informations (GSM pour la station GPS et pour les inclinomètres dans un futur proche) et de la conception des inclinomètres (mesure interferométrique, projet déposé à l’ANR RISKNAT 2008 « Laser Interferometry for Strength (LINES). La station GPS de la Salvetat( SALV)  et de la Jasse sont intégrées dans le réseau RENAG (INSU/CNRS)

3. Projets développés

Variations spatio-temporelle du stock d’eau dans le système karstique du Larzac

Depuis 2006 à 2008, la pesanteur absolue a été régulièrement mesurée avec le gravimètre FG5 sur 3 sites situés sur le système karstique du Larzac afin de quantifier les variations du stock d’eau. En parallèle, la pesanteur est mesurée mensuellement à Montpellier, ces observations contribuent à une meilleure compréhension du cycle de l’eau continental. De plus, elles sont confrontées aux observations spatiales de pesanteur de type GRACE et GOCE ou au sol (Global Geodynamic Project) afin d’être confrontées aux modèles climatiques.

 

Figure 3: Variations de pesanteur sur le Larzac

 

Les observations absolues sont complétées 2007-2009 par des réoccupations régulières (2 à 3 fois par an) d’un réseau gravimétrique (~45 sites) à l’aide de gravimètres relatifs de type CG5 (parc gravimétrique INSU). Il s’agit d’observer les variations spatio-temporelles du stock d’eau sous le karst, en particulier au cours du cycle saisonnier et interannuel. La figure ci-dessous illustre les changements de pesanteur entre avril et octobre 2008.

 

Figure 4: Variations spatio-temporelles de pesanteur

 

L’année 2010 a été consacrée à la mesure des variations spatio-temporelle du stock d’eau dans le système karstique du Larzac :

  • Poursuite des mesures de gravimétrie absolue FG5 (8 par an) sur les sites de La Salvetat et Montpellier
  • Réitération du profil de gravimétrie relative : La Salvetat – Les Menudes
  • A la suite des mesures « Surface to Depth » déjà réalisée dans le passé à l’aven de la Beaumelle (Jacob et al. 2009), des mesures similaires (mesures de gravimétrie en surface et en profondeur à l’aide du Scintrex CG5) ont été initiées sur 2 nouveaux sites : aven des Besses, aven de la Séoubio. L’intérêt de ces nouvelles mesures réside dans l’étude de évolution du contenu en eau de la zone non-saturée dans 3 contextes Karstiques différents (dolomie, calcaire, épikarst). Ces mesures sont répétées 2 à 3 fois par an.

Installation de l’Observatoire GEK – site de La Jasse

Phase 1 – Caractérisation géophysique du site

Afin de choisir l’endroit optimal pour l’installation (Janvier 2011) du gravimètre supra conducteur iGrav, différents outils géophysiques ont été utilisé pour caractériser le site de la Jasse : cartographie micro-gravimétrique du site (40 points), Sismique réflexion surface + sous-sol, Panneaux électrique, Topographie en surface + sous-sol, 2 campagnes de mesures RMP (période humide et période sèche)

Phase 2 – Mise en place de l’observatoire du Larzac « Observatoire Gravimétrique - GEK» :

Convention avec les organismes partenaires : SCTL, commune de l’Hospitalet, Conception du bâtiment, Electrification du site et construction du bâtiment. Installation des instruments et rapatriement / traitement des données routinier.

 

 

Figure 5: Caractérisation du site de la Jasse ; Réseau gravimétrique en bleu ; Topographie souterraine en rouge ; quelques résultats en haut et à droite.

 

Observations inclinométrique

Depuis Juillet 2006, nous acquérons des mesures inclinométrique sur le plateau du Larzac. Aujourd’hui 3 stations ont été installées, la dernière station à l’Aven de la Portalerie fonctionnant depuis mi-avril 2009 : les stations Titou et Portalerie sont à quelques km au sud de la source du Durzon, et la station Infruts se trouvant beaucoup plus au sud dans la zone des lacs temporaires du Plateau. Grâce aux financements de l’OSU OREME et de H+, les 3 stations sont devenues électriquement autonomes par la mise en place de panneaux solaires. Nous travaillons actuellement sur la transmission des données par satellite afin d’avoir un contrôle directe de l’ensemble des stations à partir de Géosciences Montpellier.

Les 2 premières stations des Infruts et de Titou ont montré qu’à chaque événement pluvieux, elles enregistrent des déformations inclinométriques que nous traduisons par changement de pression dans les fractures du karst (article soumis Jacob & al, 2009). Nous avions pu mettre en évidence également sur les stations de Titou et des Infruts que la direction de gradient maximum de déformation était orientée principalement dans une direction entre N30°E et N60°E (article soumis Jacob & al, 2009).

Sur la dernière station de la Portalerie, durant l’ensemble des événements pluvieux de printemps 2010, nous observons des déformations inclinométriques. Si l’on calcule la direction du gradient maximal de déformation associé, celui-ci se trouve quasiment dans la même direction que les 2 stations précédentes (Infruts et Titou) : N45°E à N50°E. Les amplitudes observées pour 2010 à la Portalerie sont toutefois plus faibles que à Titou ou aux Infruts.

 

 

Figure 6: Observations inclinométriques sur le site de la portalerie en 2010 période des pluies de printemps. haut : données brutes : tilt N185°E, milieu : données brutes : tilt N280°E, le bruit observée est produit par les ondes de marées terrestres, bas : débit enregistré à la source du Durzon en m3/s.

 

 

Figure 7: Sur les 4 figures, on représente les diagrammes polaires des 3 stations inclinométrique, la Portalerie, Titou et les Infruts. Ces diagrammes représentent la direction du gradient de déformation maximale au court du temps. a : diagramme polaire pour la station de la portalerie, b : diagramme polaire de la portalerie à la même échelle que la station de Titou, c : diagramme polaire de la station de Titou, d : diagramme polaire pour la station des Infruts.

 

Mesure des flux souterrains

Depuis 2006, nous mesurons sur 4 sites aériens et 2 sites souterrains les flux d’eau sur le site du Durzon. Ces mesures, effectuées à l’aide de pluviomètres et de capteurs de niveau d’eau, sont essentielles car elles permettent d’évaluer la charge en eau responsable des variations gravimétriques et inclinométriques que nous mesurons.

Dans le futur, les mesures pluviométriques aériennes seront effectuées sur  3 sites : La Salvetat, La Jasse et Les Menudes. Les mesures souterraines seront complétées par un capteur de pression afin de comprendre les variations de débit observées (la composante haute fréquence de l’un des sites est corrélée avec les variations de pression atmosphérique).

Les deux sites de débit souterrain à l’aven Titou et à l’Aven des Besses sont maintenant opérationnels et fiables. L’aven des Besses a nécessité la fabrication d’un pluviomètre à auget spécifique permettant d’absorber des débits assez importants. La mesure de ces débits depuis le printemps fait apparaitre une courbe de décroissance classique mais auquel se surimpose un signal complexe. La déconvolution du signal et son analyse permettra peut être d’accéder à un modèle de fonctionnement du bassin versant drainé par cet écoulement

Figure 8: Cuve de filtrage et pluviomètre à auget de l’aven de la Beaumelle (réalisation P. Collard)

 

Figure 9: Débit souterrain mesuré à l’aven de la Beaumelle après un évènement pluvieux. Le signal comprend une décroissance lente (récession), des variations rapides anticorrélées avec la pression atmosphérique, et des chutes brusques de débit. Les traits rouges représentent les jours de visite

 

4. Collaborations et chercheurs impliqués

A terme, nous souhaitons que le site du Durzon devienne une infrastructure capable d’accueillir différents projets nationaux et internationaux sur les thématiques liées à l’observation géophysique, géodésique et hydrologique du karst.

5. Valorisation des données acquises

Les données acquises jusqu’en 2009 ont été valorisée dans le cadre de deux  thèses (T. Jacob et S. Deville). Une nouvelle thèse est en cours (B. Fores) sur les varitations temporelles fines et les variations spatiales hautes fréquences du stock et du transfert de l'eau depuis la surface vers la zone noyée.

6. Programmation à court et moyen terme

  • Interprétation des données du gravimètre supra-conducteur de la Jasse (2013-présent)
  • Développement de la modélisation locale des flux en milieu hétérogène non-saturé (2012-présent)
  • Mise en place d’une tour de flux pour la mesure de l’évapo-transpiration (2012-présent)
  • Développement de la modélisation spatialisée des flux à l’échelle de l’aquifère (2014) contraint par des observations à l'échelle du bassin versant (gravimétrie, EM, tomographie électrique)
  • Caractérisation des transferts de l'eau par méthodes géophysiques
  •  
  • Figure 10: Observations de l'obsertoire hydrogéophysique de la JASSE (gravimétrie absolue et relative, pluviométrie et hauteur d'eau en forage.