ArticlePDF Available

La zone d'infiltration des aquifères karstiques. Méthodes d'étude. Structure et fonctionnement

Authors:

Abstract

Karst aquifers differ from other aquifers because of the spectacular and rapid change of their initial hydraulic properties, by solution enlargement of certain discontinuities. As a consequence, underground flow paths concentrate in a hierarchised network from surface to a unique spring, while groundwater storage develops in connection to drainage. Because of its very active role in karst landform evolution, the infiltration zone shows typical characters and properties. The nature of flows (hydraulic behavior), the karstic void distribution (structure), and the processes obviously distinguish it from the unsaturated zone of porous and fissure aquifers. Among these properties, the fact that man is able to enter it through caves and can directly observe some infiltration seepage, has been essential in karst concepts and its approach. Investigation methods are reviewed. They are related either to a global approach of karst system, by studying its hydraulic behavior, or to a local approach, devoted to a natural (cave) or artificial (borehole) observation site. The most common methods are based on hydrodynamics (recession analysis, discharge or water level time series analysis) and on water geochemistry. But dye tracing tests, slug tests and neutron probe logging in boreholes, and morphostructural analysis and geophysics are used in some specific works. Therefore the most original investigations certainly are those based on air, water, CO2 and heat flows in caves. The peculiarities of karst infiltration induce some practical consequences. Some of them are related to groundwater resources (recharge conditions, travel time) and quality (high variability of chemical contents). Those peculiarities must be taken into account in land management projects. In short infiltration characters and related mechanisms are responsible in a large part for karst aquifer vulnerability.
La zone d'infiltration des
aquifères karstiques. Méthodes
dtétude. Structure et
fonctionnernent Michel BAKALOWICZ(')
The infiltration zone of karst aquifers. Investigation
methods, structure and behavtour
Hydrogéologie,
no 4, 1
995,
pp.
3-21, 4 ftg.
Mots-clés : Méthodologie, Infiltration, Hydrologie
Kcy-words: Methods, Infi ltration. Karst hydrology,
karst,
Synthèse bibliographique
Review.
Résumé
L'aquifère karstique se distingue
de
îous les autres
aquifères
par une modifi-
cation spectaculaire
et rapide des
pro-
priétés
aquifères
initiales de la roche
par
dissolution
le long de certctines
disconti-
nuités. La conséquence essentielle
est
une concentration des écoulements
sou-
terrains depuis la surface en direction
d'une source
unique. Dufait de son rôle
très actif dans la genèse
des
fonnes de
surfuce, la aone
d'inJiltration des karsts
présente
des carttctères et des
propriétés
originaur qui la distinguent
clairement
de celle des aquifères
poreux et
fissurés,
rlt la .fois par la natrtre des écoulements
qui la parcourent (fonctionnement),
pur
lu répartition
des vides
(structure)
et
par
les
proc'essus
dont elle est le siège. Parmi
c'es
propriétés,
celle d'être pénétrable
à
I'homme a beaucoup
influé sur la
conceptualisation
du milieu et sur son
approche.
La revue
des méthodes
d'étude de
l'infiltration montre qu'elles se rappor-
tent soit à une approc'he
abordant le
Jitnctionnement
de I'aquifère dans son
ensemble,
soit à une approche locctLe,
portant sur un accès
direct nalurel ou
urtificiel. Ellcs .r'ttppuient
surtout .\ur
I' hydrodynamique
et I' hydro
géochimie
mais les trdçages
artificiels, la géophy-
sique at I'humidinëtrie
tteutronique
onr
été des recours intéressants. L'étude des
Jlux d'ai4 d'eau, de CO, et de chaleur
dans les grottes con.stitue une approche
originale.
Le
fonctionnement
et la structure
de
la zone
d'infiltration sont
ensuite analy-
sés sur la base d'exemples,
extraits de la
littérature et pris dans des karst,s situés
dans des contextes
géologiques
et clima-
tiques variës. Le.s
processus
intervenanl
au cours
de I'inJiltration
et déterminant,
pour une
part, la karstogenèse,
sont
décrits. La caractéristique remarquable
de cette
zone
est constituée
par l'épi-
karst, zone très perméabLe
occupant les
premiers
mètres
sous la surface
et super-
posée
à la zone
d'infiltration proprement
dite,
de bien
plus.faible perméabilité.
Ce
.fort contraste est responsable
d'un stoc-
kage local et temporaire,
donnctnt
nais-
sance à une
zone
saturée
perchée.
Les conséquences
des
pttrticularités.
de I'infiltration des karsts
sont décrites;
elles
portent aussi
bien sur les res-
sources
en eau souterraine
que
sur leurs
quaLités.
Elles doivent être
prises en
considération dans les
projets
d'aména-
gement
du territoire. Enfin, les carac-
tères
de l'in.filtration
et les méca-
nismes
associés déterminent pour
I'essentiel
la vulnérabilité
des uquifères
karstiques.
Extended abstract
Karst aquifer dffirs from ctther
aqui-
.fers
because of the spectacular
and
rnpid change of fts initial hydraulic
pro-
perties,
by solution enlargement
of cer-
tain discontinuities. As a consequence,
underground
.flow
paths con( entrate
in a
hierarchised network
from surface to a
unique spring,
while groundwater
,stora-
g,e
develops in connection to drainage.
Because
of its very active role in
karst landform evolution, the infiltration
zone
shows
typical characters
and pro-
perties. The nature of flows (hydraulic
behaviour),
the karstic void distribution
(structure)
and the processes
obviously
distinguish
it from the unsaturated
zone
oJ
porous and
fissure aquifers. Amongst
these
properties, the
Jact that man is able
to enter it through caves
and can directly
observe
some infiltration seepage,
has
been essential in karst concepts
and in
its approach.
Investigation
methods
are reviewed.
They
are related either to a global
approach of karst s)-stem,
by ,studying
its
hydraulic behaviour,
or to a local
approach, devoted
to a natural (cave) or
arti.ficial (borehole
) observation
site.
The
most common
methods are based on
hy
drody namic
s (
re
c e s s io n ctnaly s i s,
discharge
or water level time
series
ana-
lysis)
and on water geochemistry.
But
(
I
) CNRS. URA I 767
" Géofluides. Bassins. Eau
>.
1039. rue Pinville.
3'1000 Montpellier
(France).
HYDROGÉOLOGIE,
N'
4, 1995
Groupe de
Géochimie, Case 057,
34095 Montpellier
Cedex 5 (France)
et BRGM, Direction
de la Recherche,
ZONE D'INFITTR.ETION DES AQUIFERES
I(ÀRSTIQUES
dye tracing tests, slug tests and neutron
probe logging in boreholes,
and morpho-
structural analysis and geophysics
are
used in some speciJic works. Therejbre,
the most original investigations certainl,-
are those based on ai4 weûer,
CO, and
heat
flows in caves.
Infiltration behaviour and structure
are then analysed with examples
from lit-
terature and related to karsts in various
geological
and climatic envintnment.s.
P roces
se s occuring during infiltration
and partly responsible
for karst devebp-
ment
are described. The remarkable
cha-
racters
of infiltration in karst consists in
I ) concentrated
flows in swallow holes,
.from surface streams, and 2) the epi-
karst,
which is a high
permeability
near-
surface
zone,
5 to l0 m thick
and drained
downwards
by the properly so called
infiltration zone.
Such a high
permeabili-
ty contrast at the bottom of epikarst pro-
duces a local and seasonal water stora-
ge, which is a perched
saturated
zone
above a sometimes
thick undersaturated
zone.
The
pecularities of karst infiltration
induce some
practical consequences.
Some of them are related to groundwater
resources
(recharge
conditions, travel
time) and quality (high variability of
chemical content). Those
pecularities
must
be taken into account in land
management
projects.
In short, infrltra-
tion characters and related mechanisms
are responsible
in a large part .for karst
aquifer
vulnerabilùy.
Introduction
Le karst est habituellement
défini
comme un paysage présentant
une mor-
phologie
particulière.
En surface, I'eau
est
généralement
absente;
quand
elle se
manifeste,
c'est toujours de façon spec-
taculaire, dans les rivières souterraines,
par des sources à débit souvent impor-
tant et des rivières allogènes
traversant
parfois en gorges
les plateaux
calcaires.
En fait, le karst répond
parfaitement
à la
définition classique des aquifères. Il est
constitué
par une zone d'infiltration et
par une zone noyée
(ou karst noyé).
Mais, contrairement à tous les aqui-
fères,
poreux
et flssurés, I'aquifère kars-
tique est soumis
à une évolution mor-
phologique,
transfbrmant le paysage
de
surface
et souterrain, du fait de la disso-
lution de la roche et de l'évacuation
des
matières
dissoutes
par les écoulements
souterrains.
Cette évolution modifie
considérablement
ses caractéristiques
hydrogéologiques
initiales. De ce fait, il
existe un ensemble
continu d'aquifères
carbonatés, depuis
un pôle originel sim-
plement
fissuré
jusqu'au
pôle
1a
structure des écoulements souterrains
karstiques
est
la plus
évoluée.
Cette évolution conduit I'aquifère
karstique à se distinguer
des autres aqui-
fères
par une
organisation hiérarchisée
des
vides
parcourus par l'eau depuis la
surtàce
jusqu'aux exutoires. Cette orga-
nisation est analogue
à celle des bassins
versants de surface
; elle possède
des
éléments
spécifiques
par leur forme et
par leur fonctionnement
(fig. l), à la fois
dans la zone noyée et dans la zone
d'infiltration.
Structure de
I'aquifère
karstique. lmplications
pour
I'infiltration
Selon Bakalowicz et Mangin
(1980),
le karst noyé est constitué
d'un réseau
de drainage, dont la rivière souterraine
est le représentant le plus spectaculaire;
ce peut être aussi un ensemble de frac-
tures à peine
élargies. Le drainage assure
à I'aquifère une fonction transmissive.
Autour de ces drains se constituent
des
réservoirs
latéraux ou systèmes annexes
au drainage, indépendants
les uns des
autres, mais tous connectés hydraulique-
ment aux drains
: ils assurent la fonction
capacitive de I'aquifère. La porosité
totale
du karst
noyé, résultant de la kars-
tification,
que
Mangin
(1975)
dénomme
"porosité
et vides karstiques"
(p.v.k.),
a
été évaluée
entre 10 et20 Vo. dans les cas
les plus favorables. Le réseau
de draina-
ge (dont
les réseaux
spéléologiques don-
nent une bonne
image)
ne représente au
mieux
que
0,5 7o.
Pour
Shuster et White (191
1) et pour
la plupart
des
karstologues
anglo-saxons
(Atkinson,
l9lla , Ford et Williams,
1989), la karstification
transforme un
aquifère banal,
poreux
etlou fissuré
("diffuse flow system"),
en un aquifère
constitué uniquement de conduits
("conduit
flow system"), sans fonction
de stockage.
Selon Kiraly (1975)
et
l'école
de Neuchâtel, comme
pour
Mudry (1987),
la fbnction capacitive
de
la zone
noyée est assurée
essentiellement
par la porosité primaire de la roche et,
surtout,
par celle, secondaire,
due aux
fissures
et aux microfissures,
c'est-à-dire
celle antérieure aux phénomènes
de
karstification,
et donc indépendante
de
ceux-ci. Enfin, alors
que pour tous ces
auteurs le développement
du drainage
s'organise
en direction du point le plus
bas des calcaires dans le paysage
en une
hiérarchisation imposée par les écoule-
ments souterrains,
selon Drogue
(1914,
1980)
et Pulido Bosch
et Padilla Benitez
(1988)
en revanche, I'organisation
du
drainage serait
prédéterminée,
car impo-
sée
par
celle
de
la fracturation des roches
carbonatées.
Parce
que
la karstillcation
est un
pro-
oessus conduisant
à la mise en place
d'une morphologie
de surface et souter-
raine,
toute évolution régionale
de la
morphologie sous I'effet de variations
du
niveau de base se traduit toujours
par
l'abandon
partiel
ou total de la structure
de drainage
jusque-là
fonctionnelle.
C'est ainsi
qu'un abaissement rapide
du
niveau de base
provoque
la formation
d'un réseau
de drainage à une cote infé-
rieure et, donc, f incorporation
de
I'ancienne
organisation de la zone noyée
à la nouvelle
zone d'infiltration. Inverse-
ment,
une remontée du niveau
de base
est
susceptible de réactiver une
ancrenne
structure
de drainage asséchée
et de
transformer la structure fonctionnelle
en
un réservoir
mal drainé
parce que
décon-
necté du nouveau drainase.
Ce seul f'ait suffit à montrer que la
zone
d'infiltration des aquifères kars-
tiques
possède,
comme leur zone
noyée,
des caractères originaux, liés à
une hétérogénéité
considérable de la
dimension
des vides, depuis l'échelle
micrométrique
jusqu'à
celle
du déca-
mètre.
Cette hétérogénéité
crée des
conditions d'écoulement
très
variées,
dont les effèts
portent
aussi bien sur la
qualité
de I'eau souterraine que sur les
modalités
d'alimentation, d'écoulement
et de développement
de l'endokarst
au
sein de la zone noyée.
Mais la zone
d'infiltration des karsts
présente,
en
outre, d'autres
caractères
qui compli-
HYDROGÉOLOGIE,
N' 4, 1995
ZONE D' INFILTRÀTION DES AQUIFÈRES I{ÀRSTIQUES
quent
1a situation
et qui renforcent
I'originalité
de l'aquifère karstique.
L'étude de la zone d'infiltration des
karsts et des écoulements
qui la
parcou-
rent
ne peut,
dans ces conditions, faire
appel
qu'à un ensemble varié de
méthodes s'appuyant
sur des approches
différentes et fournissant des informa-
tions complémentaires.
En outre. contrairement aux aqui-
fères
poreux
et fissurés, pour lesquels la
zone d'infiltration
est un milieu
non
saturé en eau, les aquifères karstiques
possèdent
dans leur zone
d'inflltration
des
parties
localement
et/ou temporaire-
ment saturées en eau. Ce fait a particu-
lièrement bien été montré
à partir de
l'étude des
populations
de microcrusta-
cés souterrains
(Rouch,
1968, 1986),
dans des cavités
proches
de la surtàce;
leur développement
et leur pérennité
nécessitent
en effet l'existence d'un
milieu saturé en eau. L'approche hydro-
géologique
démontre, comme nous le
ferons apparaître, l'existence
de ce
milieu saturé voisin de Ia surface du sol.
C'est pourquoi
il sera toujours fait réfé-
rence à la zone d'infiltration des
karsts.
et non à leur zone non saturée. dénomi-
nation trop restrictive.
Nous ne chercherons
pas
à établir
ici
un bilan exhaustif des connaissances et
des travaux
portant
sur la zone d'infil-
tration des karsts. Dans
un premier
temps.
les méthodes
d'approche seront
abordées
; elles
permettront
surtout
de
montrer la variété des approches et, par
conséquent.
celles des conceptions
concernant le karst. son fonctionnement
et sa
genèse.
Ensuite, les différentes
modalités
de I'infiltration
seront
pré-
sentées, tant sur le plan hydrogéolo-
gique que
sur celui de la morphogenèse
karstique. L'organisation
spatiale de
I'infiltration
permettra
de poser
le pro-
blème du lien avec
l'organisation
des
écoulements dans
la zone noyée. Enfin,
seront décrits les effets
qualitatifs
et
quantitatifs
de I'infiltration
sur le fbnc-
tionnement
d'ensemble de l'aquifère
karstique et leurs conséquences
en
matière de protection
et de gestion
des
ressources en eau.
Les méthodes
d'approche
de la
zone d'infiltration
des
karsts
Les
grottes
et les écoulements
souter-
rains associés constituent la principale
originalité des karsts. Les grottes
appa-
raissent
comme des sites
privilégiés
d'observation in situ de l'infiltration.
Cette
vision directe
a souvent été consi-
dérée comme la seule approche valable
;
les biologistes, en particulier,
ont long-
temps conçu le milieu soutemain
exclusi-
vement autour
de
la grotte,
à la façon des
milieux de surface
(cl I'analyse faite
par
Rouch, 1986). Mais les
karstologues,
fortement marqués
par
I'exploration sou-
terraine, ont aussi
privilégié
toutes les
observations faites
dans
les grottes.
au
point qu'ils
ont élaboré des théories spé-
léogénétiques
basées uniquement sur ces
données. Cette approche,
qui est finale-
ment celle du spéléologue, reste
encore
préférée
dans
de
nombreux
travaux.
Le fait de concevoir le karst. non
plus
autour de la grotte,
mais
plutôt
comme
un aquifère,
a permis d'élargir considé-
rablement
la définition de I'infiltration
dans le karst et a amélioré la compréhen-
sion des mécanismes
en cause.
Cette
approche
globale
fut initialisée
par
Cvijic (1918)
et précisée
notamment
par
Cavaillé
(1964)
et Gèze
(1965).
Selon
ces auleurs. le karst comporte
lrois zones
superposées
: la zone supérieure, ou
zone de percolation
temporaire, la zone
intermédiaire de mises
en charge, ou
zone amphibie.
domaine des rivières
souterraines
en écoulement libre. et la
zone inférieure!
ou zone noyée.
Mais. contrairement
aux milieux
poreux pour lesquels il est
possible
de
schématiser l'infiltration par des lois
expérimentales
simulant de façon accep-
table la réalité,
I'infiltration dans le karst
ne peut être approchée ainsi. De ce fait,
le fonctionnement
de \a zone
d'infiltra-
tion des karsts ne peut être analysé
que
grâce
aux informations après
passage
au
travers
du karst noyé. Cette approche
globale de l'infiltration a été entreprise
par l'étude aussi
bien des variations du
débit au cours
des crues,
que
de celles du
chimisme
et des isotopes de l'environne-
ment.
C'est sur la base
de cette approche
globale que
la représentativité
des
obser-
vations
locales
peut être
discutée et
qu'ensuite
toutes les
observations
locales. celles faites aussi bien dans les
grottes que
dans les forages,
peuvent
être
interprétées,
puis intégrées
à 1'ensemble.
Approche
globale
de
I'infiltration
Deux exemples d'approche
globale
vont
êlre détaillés. Le premier
concerne
l'interprétation
de la courbe
de récession
d'une source, informant sur le fonction-
nement de l'infiltration observé au tra-
vers
de celui de la zone noyée.
Le
second
porte sur f interprétation des
variations
du chimisme d'une source
au
cours
d'une crue.
IWLUVruM NON XARSTIQUf,
AQUTFÛru
f,PIhTTIQUE ZONE D'NFILRNON
SWACE
PNZOMRQUf,
SYSNMXS ÀNNf,XES
AtI DMINAGE
ZONE
NOYEE
NTVEAU DE BASE
EXUTORE PMC
Fig. 1.
- Représentation schérnatique
d'un aquifère karstique
(tiré de Mangin, I 975).
Fig. I. Schematic diagrarnsltctwing the main characteristit's of karst aquilèr (Jrom
Mangin, 1975).
5
HYDROGEOLOGIE, N' 4, 1995
ZONE D' INFILÎRÀTION DES
.E
QUIFERES
I{À,RSTIQUES
2.00
o
1,80
1,60
1,40
1,20
1,00
0,80
0,60
0,40
340
330
J3
Fig.2. - Hvdrogramme
et chimiogrammc cl'une source kirrstique, rnontrant différentes
phases
de
l'évolution du chirnisme des caux. Exemple de la source du système
karstiquc tlu Baget, au cours
d'une
crue. Les
numéros
se
rapportent
aux
phases, décrites
tlans
le tcxte.
Fig. 2. - Hldrograph and chemograph oJ a kurst spring, shottirtg
seyerul
stuges itt
chernital rrtrttetû
variations. Exam;tle.front tlrc Le Baget kerst ststem, tlurittg u.flood evcttt. Ntunbers reJer to the
stupe.s
tles< ribed itt tlrc te.rt.
310
0.20
0,00
Mise en évidence
par I'hydrodyna-
mique
Après
une
analyse détaillée et critique
des différentes
interprétations
de la réces-
sion proposées par la littérature
(Schoel-
ler, 1962; Drogue, 1969). Mangin
(
1970.
1975
: Padill'a et ul.. 1994)
démontre
pourquoi
la récession
d'une source kars-
tique doit être
considérée comme
une
décrue suivie d'un seul
ct unique
taris:e-
rlent.
à lit
vidange d'un seul
réservoir.
La décrue correspond
alors
à la vidange
de la zone
noyée,
modifiée
par les effets
de I'alimentation
par I'infiltration, en
période
classiquement clite
"influencée".
Mangin
base
son
analyse
sur
un constat
("il n'existe
pas
de loi physique
connue
rendant globalement
compte de I'infiltra-
tion en milieu karstique") et sur
Llne
hypothèse
("la loi de vidange de la zone
noyée,
au cours
de la
décrue,
est la nrême
que celle
observée
au cours du tarisse-
ment
et répond à la loi de
Maillet").
Cette
dernière hypothèse
vient d'être validée
expérinrentalement
par Marsaud
(
I 996).
Mangin propose
une lbnction expérimen-
tale simple, à deux
paramètres,
décrivant
la décrue,
mais
n'ayant a priori aucûn
sens
physique.
Celle-ci
est la fbnction
homographique :
l-et
.1
-.tol+nt
dont les deux
coefÏcients
et T permet-
tent
de
décrire
toutes
les formes de
récession.
Cette
fonction met
en éviden-
ce Ie retard à l'infïltration, c'est-i\-dire
la façon dont la zone d'infiltration <lu
karst dans son ensernble déforme
I'onde
de crue telle
qu'elle résulterait
d'une
pluie atteignant
directement le karst
noyé
: ce retarcl
à I'inflltration
peut
être
accentué, entre autres,
par
une
couvertu-
re neigeuse ou sédimentaire.
La fbnction
est définie entre t0 et t.=l/rl, durée
de la
période influencée. Le coefficient e
caractérise
l'irnportance
ile la concavité
de la courbe de décrue : c'est le coeffi-
cient d'hétérogénéité. Une valeur éle-
vée de e correspond à une décrue
qui
diminrre très rapitlement.
Mangin
propose
ensuite
de faire
abs-
traction
du débit
90,
afin de comparer
les
courbes
de décrues
d'aquifères ditïé-
rents.
Dans ces conditions. la fonction
décrivant
I'alimentation
du karst noyé
par
I'infiltration prend
la fbrme :
La valeur
i que
prend
! pour
t =
2.jours
pennet
de cirractériser I'intiltra-
tion des aquifères karstiques. Cette
I-et
t-. | +'qt
valeur est l'un des
deux termes
(le
second est
relatif au fonctionnement
du
karst
noyé)
utilisés
pour
classer
les
kirrsts selon le niveau
de la structuration
de
leurs
écoulements
(Mangin,
1975).
L'analyse
de la récession
peut
être
rélli:ée
au
moyen du logiciel RECESS'l)
élaboré dans ce but
par Mangin et
D'Hulst. Elle
porte généralement
sur
des
données
journalières
de débit.
qui peu-
vent être importées
depuis un
tableur.
NIise en évidence
par I'hydrogéochi-
mie
De la même
façon que
I'hydrogram-
me d'une source révèle les caractéris-
ticlues de I'alirrentation
du karst
noyé
pur l'infiltration. le
chimioglamme.
ou
courbe de variation du chimisme au
cours d'une crue.
permet
d'extraire cer-
taines infbrmations relatives
à I'infiltra-
tion.
Toutefois,
il faut
garder
à I'esprit
le
fait que
l'hydrogramme
et le chimio-
grarnme
infbrment
de façon ditïérente
sul le fonctionnenlellt
de I'aouifère kars-
tique.
En effet, alors que I'hydrogramme
correspond à la uranière
dont l'clnde
de
crue, c'est-à-dire
l'énergie
de
pression,
traverse I'enserrble de I'aquifère, le chi-
lnlogramme c()rrespond
ull
passage
eftèctif de I'eau. Mangin
(1975),
suivi
par Bakalowicz
(1916').
a souligné
la
nécessité de distinguer
ces
cieux
phéno-
mènes
et a proposé
de dénomrner
"trans-
fert" le passage
ile I'onde de crue
(hydrogramme)
et "transit"
celui
effectif
de la matière
(chimiograrnrle).
L'analyse
du chimiogramme, ou de
son
équivalent
isotopique, fait apparaître
plusieurs phases
successives. Le cas le
plus complet paraît
être fbulni par le sys-
tènre karstique
du Baget,
dans
les Pyré-
nées ariégeoises
(fig.
2 ; Bakalowicz et
Aminot, 1974).
Ett début de r.r.rontée de
crue
(phase
I ). la minéralisation
carbo-
natée
(HCO., Ca, Mg) et sulfatée aug-
(l) Le lo-siciel RECBSS est
disponiblc-
auprès
de
D. D'HLrist. Lab()faloire Souterrain ttu CNRS.
0t)100 Moulis
(Francc
).
HYDROGÉOLOGIE, N' 4, 1995
ZONE D'INTILTRÀIION DES .H,QUIfÈRES KARSTIQUES
mente. Dans une seconde
phase,
cette
augmentation se
poursu
it. en même
temps
que
les teneurs en COr, Cl et Na
croissent. Le passage
de la pointe
de crue est
suivie
d'une décroissance
(phase
3) plus ou moins marquée des
teneurs en sels dissous. selon la saison et
l'historique
des crues
précédentes.
Le
minimum,
atteint
parfois quelques
jours
plus
tard. est en général
inférieur
aux
teneurs
initiales.
précédant
la crue.
Le
retour vers les teneurs initiales
(phase
4)
nécessite, en l'absence de précipitation
un temps
assez long,
de quelques
semaines.
Des évolutions
plus simples ont été
décrites
par différents auteurs
(Viéville,
1983
I Mudry, 1987
; Lastennet, 1994
).
En général,
les
phases
I et 2 n'apparais-
sent
pas
ou sont réduites à une variation
de faible amplitude et de courte durée et
la phase
3 prend
alors une ampleur nette-
ment
plus importante. ll arrive aussi
par-
fois que le chimiogramme se réduise à
une augmentation faible et ample du chi-
misme.
L' interprétation
proposée
(Bakalo-
wicz et Aminot, 191 4 ; Bakalowicz,
1979) s'appuie sur
"l'effet
de chasse" de
I'onde de crue lors de son
passage
au tra-
vers de I'aquifère et sur le f'ait
que
les
diflérentes eaux
"chassées"
par la crue
appartiennent à des ensembles distincts
se
mélangeant
peu
entre eux.
Cette
absence
(ou
cette
limitation)
de
mélange
des eaux est due à l'existence
tl'axes de
circulation
rapide,
aussi bien dans
la
zone d'infiltration
que
dans
la zone
noyée.
Le chimiogramme traduit dans
le
temps les eflèts de la structure interne de
I'aquifère, caractérisant ainsi la relation
entre
fbnctionnement
et structure.
Ainsi,
de façon schématique.
les
eaux émer-
geant
au cours de
la phase
I proviennent
majoritairement
du karst noyé,
elles
sont stockées, celles de Ia phase
2 tien-
nent leur origine dans la zone d'infiltra-
tion et celles de la phase
3 corespondent
soit à des eaux superficielles, soit aux
eaux de précipitation
à l'origine de la
crue.
La variété ofïerte
par les traceurs chi-
miques naturels
permet
de caractériser
les différentes origines
possibles
de
I'eau,
ses
lieux
de stockage,
les
temps
de
séjour et les conditions d'écoulement
(en
régime libre, noyé). Les isotopes de
I'environnement
(Fontes,
1976)
sont une
source complémentaire d'infbrmations,
en ce
qui concerne
notamment l'altitude
de la zone
de recharge, les
etïets de
l'évapotranspiration
et
le
temps de séjour
de I'eau. C'est ainsi
que
Bakalowicz et
Olive (1970),
Bakalowicz
et al. (1914),
Deines er uL.
(1974),
Ebereniz
(1975),
Sklash et al. (191
6\. Blavoux er ai.
(1919)
et Mudry
er al. (1994)
ont eu
recours aux isotopes dans le cadre
d'études
globales
d'aquifères karstiques,
qui ont révé1é certains caractères
de
l'infiltration.
Mtiis il n'est
pas possible
de
généra-
liser la signification de chacun de ces
traceurs à I'ensemble des aquitères kars-
tiques. En effet, ils sont liés
pour
la plu-
part
à des conditions
locales,
géochi-
miques, anthropiques etlou climatiques.
Si I'ion Cl peut
être considéré le plus
souvent comme un mrrqueur d'eaux
ayant subi,
près
de la surface, une recon-
centration
plus ou moins
poussée
du fait
de l'évapotranspiration, il peut
aussi
pro-
venir soit du salage de routes, soit de
rejets d'eaux usées, soit
enfln de certains
engrais
(lisiers).
Une analyse
locale
de
la
situation s'impose donc avant toute
interprétation.
Du fait de leur variété, les traceurs
chimiques lburnissent des infbrmations
complémentaires,
parfbis
redondantes,
au moins
en partie.
A côté
de la descrip-
tion des chimiogrammes, traceur
par
tra-
ceur,
puis de I'interprétation,
differentes
méthodes
de
description
et d'assistance à
l' interprétation sont utilisées.
Les corrélations entre
teneurs de
rlarqueurs
pris deux à deux sont clas-
siques, mais malheureusement d'intérêt
pratique
très limité. En efI'et, non seule-
ment elles n'infbrment
jamais
sur une
quelconque relation
de causalité, mais en
outre elles ne
portcnt que
sur une
partie.
non
quantifiable,
de
I'information.
C'est
pourquoi
il 1àut leur
préférer
les analyses
multidimensionnelles
(ou analyses facto-
rielles),
qui prennent
en compte en
même temps toutes les relations existant
entre tous ces marqueurs,
qui les classent
en les associant à des
facteurs respon-
sables de la structure des données et qui
quantifient
ces fàcteurs les uns par rap-
port
aux autres
(Cailliez
et Pagès. 1976).
L'analyse
en composantes
principales
(ACP) et I'analyse factorielle discrimi-
nante
(AFD) sont les deux méthodes
adaptées à la description de tableaux de
données hydrochimiques, variant dans le
temps ou dans I'espace
(Bakalowicz,
1919, 1984, 1994; Mudry,1981,1991
;
Mudry et Blavoux,
1987). Alors que
I'ACP décrit un tableau de données sans
qu'aucune
hypothèse ne soit formulée,
I'AFD décrit le même tableau auquel a
été aioutée une variable
qualitative
sup-
posée
être responsable de la structuration
des données dans le temps ou dans
I'espace. Suivant l'exemple
précédent
du
chimiogramme, chaque échantillon
pourrait
se voir attribuer,
pour la variable
qualitative
"origine
de I'eau", la valeur
1,2,3 ou 4, selon
qu'il appartient
au
groupe
de la phase
1, 2, 3 ou 4. L'AFD
montre
alors si cette nouvelle
variable
rend
bien compte de I'organisation
observée. ACP et AFD ne doivent être
considérées
que
comme des outils de
description des variations des données et
de leurs interrelations
: c'est sur cette
description
que devra se fonder l'inter-
prétation,
notamment la recherche
de la
signification
des
facteurs responsables
de ces
variations.
Les méthodes d'analyse multidimen-
sionnelles sont, depuis l5 ans, couram-
ment utilisées dans les travaux acadé-
miques
portant
sur 1e karst
et sur
I'infiltration (Fleyfel, 1979
; Bakalo-
wicz, 1980; Botton,
1984), mais beau-
coup
plus
rarement
dans des études
appliquées,
pour lesquelles elles sont
pourtant
bien adaptées. Il faut recon-
naître
que
les
outils infbrmatiques
dispo-
nibles ne facilitent
pas
leur utilisation.
En effet, certains logiciels fournissent
une analyse
soit incomplète,
soit même
parfois fondée
sur une démarche incor-
recte; d'autres
logiciels, par
leur
conception
et leur manque de conviviali-
té, concernent
plutôt des spécialistes des
statistiques
que
des hydrogéochimistes.
Le seul logiciel dont
la démarche
mathé-
matique
paraît
correcte et la convivialité
acceptable est STATITCF'2'. clont cepen-
dant les performances graphiques
et de
gestion
des données sont médiocres
; son
association, aisée. avec un bon tableur
s'impose.
(2) Le logiciel
STATITCF est disponible auprès de
I'lnstitut Technique des Céréales et des Fourrages
HYDROGEOLOGIE, N' 4, 1995
ZONE D'INFII,TRÀTION DES ÀQUIFÈRES KARSTIQUES
Approche
locale
L'essentiel
des études
locales
de
l'intlltration dans
les karsts a longtelnps
purté
sur les
concrétions
de
grottes (voir
par exemple
Roques. 1961
; Cabrol,
1974: Kogovsek. 1983
; Genty, 1992,
1993). La compréhension de la dyna-
mique
de la minéralisaticln du carbone
organiqr.Le et de I'acquisiticln
par I'eau
d'infrltration du CO-.
des
carbonates
dis-
s()us et des teneurs isotopiques respec-
tives en carbone
et en
oxygène
s'est
aussi
appuyée
sur l'étude de transferts
locaux, dans une
grotte, proche
de la
sur-
face du sol (Fleytèl,
1979
; Fleyfel
et
Bakalorvicz. 1980). Pour les besoins
de
certaines études de
protection
de
grottes.
I'infiltration a été
sournise
à une sur-
veillance continue
de son débit et de sa
qualité chimique;
tel est
le
cas de la
grot-
te de Niaux (Pyrénées
ariégeoises)
dont
un écoulement d'inflltration est
étudié à
la suite d'une trltéruticln des oeuvres
pariétales préhi
storiques en I 978
(Andrieux,
1979
; Mangin, 1988
; Baka-
lowicz et Jusserand,
1987
; Mangin
et
al., 1991). En Slovénie,
I'infiltration
dans
les
grottes
de la région de Postojna
es[ \()umise
à des invc:tigulions
détaillées de la pirrt
cles
chercheuls
cle
l'Institut de Recherches sur le Karst
(Habic
et Kogovsek.
l919: Kogovsek,
1982,
1987,
1994),
en particulier pour
évaluer les effets
de la pollution
due à
des équipements
touristic'lues en surface.
L'infiltration a été ar"rssi
étudiée
sr"rr
un site expérimental
clu
Languedoc,
à
partir de fbrages.
Le clramp
de fbrages
de Corconne, réalisé par le laboratoire
d'Hydrogéologie
de l'Université de
Montpellier,
comporte
.17
tbrages
de l0
à 12
nr sur I 300 rnl. selon
des rnailles
canées de .l et 8 m. LIn
forage
plofoncl
de -15
m atteint la zone noyée,
dont le
niveau
varie
entre l0 et
4zl
m sous la
sur-
f'ace.
Le site a été
soumis
à un
ensemble
d'études
de
détail
portant
sur I'hydrody-
namiclue
(Gouisset,
1981. 1982
; Guyot,
1983.
198-5),
I'hydrogéochinrie
(Botton,
198'1), la thermique
cles
eaux
(Girona.
r 978).
Dans la même région, le karst
de
I'Hortus.
qui comporte sur le site
du
Lamalou une source pérenne,
en aval
d'une
grotte,
une
source
cie
trop
plein
et
plusieurs
forages,
a aussi été sclumis
à
une étude
de ses modiilités d'infiltration.
par I'hydrodynamiclue,
l'hydrochimie
et
cles
traçages.
Ce travail
(Bonin,
1980
;
Bonrret
et ul., 19tJO
; Cheviilier.
1988)
s'appuie
surtr)ut
sur
des
expériences
de
pluie
artificielle.
Mise en évidence
par I'hydrodyna-
rnique
Pour la plupart.
les
travaux
portant
snr
les éc()ulements naturels
dans
les
grottes
ne s'attachent
qu'à décrire
les
hydrogrammes
observés.
Cependant,
Bcrnnet
et ol. (
I980), suivis
de Chevalier
(1988),
et Mangin
(
1988)
poussent
leurs
analyses
plus
complètcment et selon
des
voies
différentes.
Ces cleux exernples
sont
détaillés ici.
L'exemple du ksrst du Lamalou
Le sitc
du Lamalou est très
proche
de
la
surface
(18
m environ). Dans la grotte.
Bclnnet
e/ d1..
puis
Chevalier
obtiennent
un
ensemble
cle réponses hydrodyna-
rniques
variées
à des
entrées
bien cttntrô-
lées,
d'intensité
et de clurée
variables.
dans un contexte
hydroclirlatique
connu.
Ainsi, le temps
de
réponse par
rapport
aLr début
de chaque uverse artificielle
dépencl du point
considéré, du défrcit
en
eau de la zone
cl'
jnfiltration,
estimé
pal
le
temps séparant
les irverses, et de l'inten-
sité
de I'averse
(10
à 20 mm/h).
Les
délais sont
courts,
mais
très variables
(0.75
à 4 h) : ils diminuent
lorsque
croît
l'intensité.
A partir
cles clonnées
de cinq
âverses.
Bonnet
sr .11.
mettent
en éviden-
ce une relation
directe entre le temps de
réponse
et
le déficit en eau. En revanche.
les norrbreuses
observations
de Cheva-
licr
ne
montrent
pas
cle
relation
aussi clai-
re. Sur la plupart
des
points
d'arrivée
de
l'infiltration dans la
grotte.
il n'existe pas
cle
relation
clirecte entre le
temps de
réponse et le délrcit
cn
eau. rnais soil
une
lelation
inverse,
soit une absence
totale
de
relation.
Cependant, collectés
tous
ensemble. ces
écoulements et égoutte-
nlents montrent
un conlportement
assez
proche
de celui
décrit
p:lr
Bonnet
et a/.
Cettc valiabilité
spatiale et tempot'elle
parait être
due i\ des modalités variables
cl'écoulement : éconlement à surface
libre
(ruissellement),
en charge
ou dipha-
sique, selon la dimension des vides
et
lenr
état hydrique.
L(' Ieilrps de cortttntraliol, c'est-à-
dire
le temps
de montée de crue. dépencl
aussi du site.
du déficit en eau er de
f intensité
de pluie.
Quant
au seuil tle
réuction
au.r
pluit's,
il varie
selon l'état
de la réselve
en eau,
de 20 mm jusqu'à
50 et même
90 rnm en été.
Les
variations de débit
des écoule-
ments
de la zone
d'infiltration
dans
la
grotte, pris
individuellement
ou dans
leur
totalité,
de même
que
celles
de la piézo-
métrie
dans les filrages, sont intelprétées
en termes
de vidange
de réservoirs
satu-
rés, par la loi de
Maillet, et de position
et
de morphologie des fractures
alirnentant
ou écoulant I'eau. C'est l'approche
clas-
sique proposée par
Schoeller
(1962).
reprise par
Drogue
(
1969),
pour
interpré-
ter la vidange
de
la zone noyée
des
aqui-
fères
karstiques. Mangin
(1970),
que
nous
suivrons, rejette
cette
méthode
d'interpré-
tation
; en effèt. les lois de I'hydraulique
montrent que les éléments
appartenant à
un même
réservoir
(fines
fissures
et frac-
tures larges)
doivent se vidanger
en mênte
temps,
ce qui se
traduit nécessairenrent
par
une seule
exponentielle. En outre,
comme d'ailleuls le remarque
lui-même
Chevalier, le modèle de Maillet ne peut
pas.
en toute rigueur, s'appliquer
à des
écoulements
en zone
non
saturée
: cet
auteur I'utilise
cependant
en constatant
qu'il permet
de décrire convenablement le
tanssement.
Nous
verrons que
l'existence
d'une zone saturée
proche
de la surlâce
fait que
I'application
de ce modèle peut
avoir une signification et, donc, que lzt
rnéthode
d'analyse de la récession de
Mangin
selrrit
applicahle.
L'approche
du tbnctionnement
de la
zone
d'infiltration
par bilan hydrique a
aussi été
tentée. Mais certains
termes
du
bilan sont délicats. sinon impossibles.
à
estimer.
En particulier.
les
pertes
laté-
rales
et. surtout.
la méthode
d'estimation
de l'ETR basée sur
celle de I'ETP ne
permettent
pas
cle
recourir
directement à
cet outil pour
évaluer le stockage
ou la
vidange
d'une éventuelle réserve
(Hla-
vek e/ ul., 1974\.
C'est
probablement
pour
cette raison clue
Chevalier ne
donne
aucun
élénrent
sur
le
bilan.
En revanche. Bonnet
et aL.
ont
été
conduits
à élaborer un modèle
de bilan
hydrique,
afin de simuler
les
écoule-
ments. Deux
modèles ont été testés. Le
premier,
à réservoir
unique, reproduit
très converablentent
le bilan global.
Le
second modèle,
à
deux
réservoirs.
censés
HYDROGÉOLOGIE,
N'
4, 1995
ZONE D'INFILTRÀTION DES
ÀQUIFÈRES
KÀRSTIQUES
représenter les écoulenrents dans les
larges fractures et dans les
flnes
fissures,
permet
de simuler
correctement les
hydrogrammes, après
ajustement des
5 paramètres
(capacité
de chaclue
réser-
voir. temps de rnontée
et durée du taris-
sement. exposant du taux de saturation
du seconcl
réservoir).
E,nfin,
des
expériences
de
pompage
et
d'injection sur certains fbrages du site
ont fourni des
valeurs
de transrnissivité
et de coel'l'icients d'emmaglsi
rrernent.
soit
par la nréthode de Papaclopoulos et
Cooper
(Bonnet
et
aL.,1980),
soit
par
celle
de Theis-Jacob
(Gao,
1987, liz Che-
valier,
1988). Chevalier calcule des
per-
méabilités,
à partir
des tarissernents sur
les fbrages.
au nroyen
de la méthode de
Porchet. Tout en restant réservé, àjuste
titre, sur la signification des
résultats
fournis par
ces
méthodes,
il constate
que
les valeurs
sont toutes du même
orclre
de
grandeur
et nlontrent une diminution de
la
perméabilité
avec la
profondeur'
: entre
3 et 9.10-6 m/s pour le prenrier rnètre
sous
la surface.
I a 10. l0-6 ru/s
pour
la
tranche
0-10
m, et 1,5 à 9.10
'' m./s entre
l0 et
30 mètres. Gouisset
(1981),
qui
obtient
des
valer,rrs
plus
élevées
(0.2-5
à
1,2. l0 2
m.1s clans
les 4 premiers
rnètres)
grâce
à des essais de
perméabilité
à I'air
entre
packers.
sur le site
voisin
de Cor-
conne. aboutit
à des conclusions iden-
tiques, retrouvées
par Guyot (1983)
à
partir
d'injections à débit
constant.
Ces expér'iences
posÈr)t
cependant
le
problème
de la représentativité des
observations
faites
sur forages dans le
karst.
En eflèt. ces lbrages meltent sou-
vent en
communication des fiactures
qui
ne sont
pas
interconnectées à l'origine,
ou alors dans des conditions bien difïé-
rentes. De ce fait. les
obsen,ations
en
forage
ne peuvent porter que sur des
rnélanges
d'eaux différentes,
à cause
de
I'hétérogénéité
spatiale de I'infiltration
;
dans
ces conditions,
il est en
-sénéral
impossible
de définir la représentativité
des observirtions en forage par rapport
aux écoulements
dans
leur ensemble.
C'est
pourquoi
il est muintenant souvent
proposé
d'effectuer mesures et prélève-
ments
en tbrages entre
packers: rnais
ce
sont des
opérations
lourdes
et délicates.
qui de toute façon
ne permettent
pas
à
coup sûr de
positionner
le forage
par
rap-
port à I'organisation naturelle
des
écou-
lements karsticrues.
L'exemple de \iiaux
Dans
la grotte
de Niaux, des écoule-
ments
d'infiltration ont été captés
par
micro-fbrages, à 300 rn environ sous la
surfhce du sol,
afin de
détourner I'eau
qui lessivait certaines
peintures
nragclalé-
nierrnes
(Andrieux.
1990.1.
Les débits
enregistrés depuis 1979 varient
de l5 à
,50 cm3/h.
Mangin
(1988)
a étudié
certe
chronique de
débits
au moyen
des
méthodes d'analyse
corrélatoire et spec-
trale.
sirnple
et croisée
(Mangin.
198:1).
Ces
méthodes pelrrettent
de recherclrer
les
ditïérentes composantes du signal
(composantes
aléatoire,
journalière
et
sais<lnnière et tendance à long terme).
puis d'identifier
les
phénomènes
à I'ori-
gine de
ces courposantes. Enfln, la conr-
paraison
de cette
chlonique
avec
celle
d'autres
variables
(phrie,
température
de
I'air, pression
barométrique. fiéquenta-
tion piir
les
visiteurs notamment) met
en
évidence
l'existence
de relations
avec
certaines d'entre elles et la nature de
ces
relations.
De
ces analyses
il lessort
que
:
A tourl ternte
. Il n'existe
aucune
relation
entre les
débits d'infrltration
c-t
les précipitations.
ce clui
signifie que
le signal
"pluie" est
totalement frltré
par
son
passage
dans la
zone d'infiltration.
. Il existe une relation de
cause à
ef-fet entre les débits
et la pression
baro-
métrique..lusqu'à l0 jours.
L'effet
obser'-
a
conduit à une
estirnation
de la
poro-
sité clu milieu à 2.54/o, sur la base
d'hypothèses
vraisemblables
(variation
de
pression
non adiabatique
: inflltration
lente en écoulenrent diphasique
cians
l'épaisseur des
300 rn.
donc sans
stocka-
ge
autre
qu'en
surfàce
éventuellement).
.
A nrct'ett tenne
. A l'échelle saisonnière, il n'existe
toujours
pas
de relation
entre la pluie
et
les débits, ni entre la pression
et les
débits.
. Les variations
saisonnières obser-
vées
ne
peuvent
donc être
attribuées qu'à
l'ér'apotranspiration rgissant sur
ru)
réservoir
proche
de la surface. L'analyse
croisée
entre
la température de I'air exté-
rieur et les débits montre
que les
deux
variables sont liées
I'une
à I'autre par
une relation rlon
pas
causale
(c'est-à-dire
que la terîpérature n'est pas
la cause),
mais de dépendance à une même
cause,
qui
ne
peul
être
que
l'évapotranspiration.
Ainsi, l'évapotranspiration
seule
serait
responsable
des variations saisonnières
des débits
d'inflltration
dans la
grotte.
Dans
son
interprétation,
Mangin pro-
pose
I'existence d'un réservoir très
proche
de la surface, dans les fc'rrmations
glaciaires
et dans
la partie
supérieure des
calcaires sous-jacents, dont l'eau est
drainée lentement au
travers d'une
zone
non saturée épaisse, à faible
porosité
et
peu
perméable.
Mise en évidence
par I'hydrogéochi-
mie
Depuis longtemps. de nombreuses
études
portant
sur le chimisme
des
eaux
percolant
dans
les grottes
au droit des
concrétions
(voir notamment Aubert,
1967
: Thrailkill, 1968
: Trudgill,
1972
;
Pitty, 1972
: Harmon et ul.,1913;
Mise-
rez, 1913;
Atkinson, 1977
; Thrailkill et
Robl, l98l) ont
fàit apparaître, sans
que
cela soit
posé
en termes
aussi
clairs, le
problème
de la représentativité
de ces
observations
1lar
rapllort
au fonctionne-
ment d'ensemble de l'aquifère
karstique.
E,n effet, la plupart du temps.
ces
eaux
présentent
une forte minéralisation car-
bonatée,
associée à des teneurs en CO,
(ou
à des
pressions partielles. pCO,)
assez élevées: les eaux
cle sources sont
au contraire rloins minéralisées et
à plus
faible
pCO,. Ces différences
ont été le
plus
souvent interprétées
comme la
conséquence
d'une
modification
du chi-
misme
dans la zone
noyée. ou à son voi-
sinage, dans la zone
de ruissellenrent
souterrain.
En revanche. l'étude simultanée du
comportement de I'ensemble
d'un aqui-
fère karstique et d'écoulements locaux,
dans la zone noyée et dans
celle
d'infil-
tration
(Bakalowicz,
I91
5. 1979),
conduit
à une interprétation
différente.
C'est ainsi
qu'on
montre
que
les eaux
d'alimentation des concrétions. et plus
généralement
toutes les
eaux émergeant
de fissures
dans
les grottes.
ne représen-
tent
qu'une
seule des difïérerrtes modali-
tés d'infiltration karstique,
comme le
ruissellement souterrain
ou les écoule-
ments
alimentés
par
des
peltes
de
rivières
de surtitce. Les variables liées
au
HYDROGÉOLOGIE,
N' 4, 1995
ZONE D'INFILTRATION DES AQUIFÈRES KÂRSTIQUES
système
chimique
COr-HrO-carbonate
sont certainement
parmi
les
meilleurs
informateurs
des conditions d'écoule-
ment en milieLr carbonaté
non
saturé
lBakalowicz,
1980,
1994). En efïèt,
les
deux variables
de contrôle dr"r
pH et des
teneurs en citrbonate dissous et en
cations
associés sont
la pCO.
et I'indice
de saturation cle
la calcite.
ou dpH. écart
entre le pH mesuré et le pH d'équilibre.
Les valeurs
présentées
par
ces
variables
et leurs
relations
calactérisent
des eaux
s'écoulant soit en milieu aéré. en écoule-
nent diphasique
ou
en
écoulernenl à sur-
tàce
libre. soit
en
milieu
noyé
; elles
peu-
vent
aussi
mettre en ér,iclence
cles
eaux
à
très
court temps de seijour au
contact des
carbonates.
Cette
démarche a été
mlse
en
oeuvre
clans
l'étude
cl'écoulements
dans
une
grotte
(FleyfèL.
1979; Fleyfèl et Bakalo-
rvicz,
1980), sur
les
fbrages
peu profirnds
du site de Corconne
(Botton.
198-1t et
sur une
source drainant un
aquifère
kars-
tique très superficiel
(Bakalorvicz,
1980).
Les
variations temporelles
ou
spatiales
sclnt ensuite anirlysées
au
moyen
d'analyses factorielles rnultidi-
nrensionnelles.
L'exemple du site de Corconne
est
particulièrement
intéressant sur le plan
rnéthodologique.
En effèt.
la réalisation
dr.r champ de fbrages
s'appuie directe-
ment sur le rrodèle
considérant
que
I'organisation
de I'aquifère
karstique
est
déterminée
conrplètemer)t
par
celle
de
la
tiacturation
(Drogue,
1980). Selon cette
concepticln,
1'étude détaillée
sur un site
limité,
s'apparentant, sans
qu'il soit
explicitement
défini comme tel, à un
hypothétique
volume élémentaire repré-
sentatif
(VER). doit permettre de com-
prendre
I'organisation et le comporte-
ment de I'aquifère karstique
derns son
ensemble.
Le travail très complet
réalisé
par Botton
(198,+).
s'appuyant sur
un
nombre considérable
de données hydro-
chimiclues,
isotopiques. thermiques
et
hydrodynamiques
pose
très
clairement
non seulement le problème
de la repré-
sentativité des
observations
locales
par
rapport
i\ l'ensemble.
Elle constate.
in
fine,
que
ses
données ne rendent
pas
compte
du moclèle originel.
puisqu'il lui
est
impossible de généraliser
à l'ensern-
ble de I'aquifère,
y compris
à la zone
noyée. les résultats obtenus
sur
un site
suppcrsé êIre u prictrl représentatif de
l'enserrble. En revanche.
elle montre
que
ces
résultats peuvent
bien
s'intégrer
dans le modèle conceptuel
global
établi
par
Mangin.
De nomb|eux uutcurs
orrt
srrivi
ee(te
approche hydrogéochimique
globale
pour étudier
le fbnctionnenrent
de sys-
tèrnes
karstiques
en
général
et les tnéca-
nismes d'infi ltration en
particulier
(Mudry
et Blavoux.
1986
; Blavoux
et
Mudry, 1986
; Puig. 1987
; Mudry,
f
987
: Blavovx
et ul., 1992
; MLrdry ct
al., 1994; Lastennet,
1994).
Mris les données hydroclrimiclues ne
sont
pas
utilisées seulement
pour
analy-
ser le fbnctir)nnement de I'infiltration et
l'organisatir'rn des écoulements dans
I'aquifère
karsticlue.
Elles
servent aussi
à
évaluc-r l'intensité c1e
l'érosion
chin.rique
dans I'ensemble du karst ou
dans
sa
seule
zone
cl'infiltration
(Aubert.
1969
: Atkin-
son
et Smith, 1976
; Miserez., 1975
;
Bakalowicz
: 1979. 1992
; Maire. 1990).
Aubert et Maire tentent de firire la part, le
premier pour
le Haut-Jura. le second
pour
les
Préalpes cle Haute-Savoie, de la dis-
solution dans
les
différentes
zones du
karst.
Dans
le Haut-Jura.
7l 7c de
la dis-
solution
prendraient
place
dans la zone
d'infiltration, dont -58
c/o
porur
les sols
et
leur contact
avec
le calcaire. Dans les
Préalpes, à une altitude
plus élevée les
sols sont rares ou absents. ce sont
65
%,.
dont seulerneil
l5 q( pour
la
proche
sur-
firce. qui sont dissous et entraînés.
En làit,
ces
estirnations sont discu-
tables. dans la nresure e lles
s'appuient sur des
observations
ponc-
tuelles auxquelies est attribuée
une
représentativité régionale. Les eaux
cl'
infiltration
prélevées
et analysées
représerrteraient I'ensenrble des eaux
d'inllltration karsliqrre
ct s()nt.
pour
cettc
raison. comparées
aux
eaux cles sources
qui ltlurnissent une
infornration
sur les
processus
de dissolution dans
l'ensemble
de I'aquifère. Cette
hypothèse n'est
pas
acceptable.
parce qu'il est
très
ditïicile
de faire
la part
du flux de nratières
dis-
soutes
provenant
de la seule zone
d'infil-
tralion: il paraît
cependant
certain
que
c'est près
de la sudhce
que
prend place
I'essentiel
de
la dissolution
en milieu
karstique. De nombreux facteurs
inter-
viennent
dans
le contrôle
de
I'intensité
et
la position
de cette
dissoluticln
(Bakalo-
wicz. 1992),
qui est, de par la nature
mênre t.lu
karst, tiiscontirrue,
cornme ert
témoignent
I'existence de
profondes
dépressions
tèrmées et de
pitons.
Lir température des euux est rLlssi uti-
lisée
pour
calactériser
les écoulenents et
I'organisation des
vides dans la zone
d'infiltration
(Girona,
1978
; Botton.
198-1
; Roy et Benderitter.
1986
: Lasten-
net, 1994). La température des eaux est
ulr nrarqueur des circulations rapides,
transitant
par les fiactures bien ouvertes.
De nrême. celle cle
I'air dans
les
grottes
(Anclrieux,
1979')
a permis
de révéler les
écoulements
dans la roche entourant les
galeries, qui agissent comme un refioi-
disseur:
ces
circulations sont anssi un
fournisseur de
CO,
(Bakalowicz.
1981).
Mise en évidence
par les isotopes
du
milieu
Les
isotopes
du nrilietr
(180.
rH, 3H)
et ceux
liés aux
solutés
ilrc, l1C, lsN,
raS.;
ont
été
relativement
peu mis en
oeuvre dans
des
études
locales
de
l'infil-
tration karstique. Dans ce domaine,
les
travaux nrajeurs sont ceux de Fleyfel
(1980),
Fleyfèl
et
Bakalowicz
(1980).
Botton
(19U4)
et Lastennet
(1994).
Le
dér
eloppcment
des reconstilutions
paléo-environnenrentales
à partir
de
l'étude isotopique et géochronologique
des concrétions de grottes
est venu com-
pléter
les
apports des
isotopes
à la
connaissanee cle l'infi
ltrution.
L étude
de
l'infiltration dans la
grotte
de Niaux (Bakalowicz
et Jusserand,
l9ti7) au moyen de
l'oxygène-18 est r.rn
exemple intéressant,
dans la mesure
elle
complète
bien les
infbrmations fbur-
nies
par
I'analyse des débits.
Elle montre
que
la comparaison des teneurs entre les
pluies
et l'écoulement ne
permet pas
cle
comprendre
les modalités de I'infiltra-
tion.
En revanche. celle des flux conduit
à définir avec
précision
I'altitude de
recharge et le temps de séjour moyen, de
l'ordre tle lfl serrraines.
pour parcoulir'
verticalement
300
mètres. Les données
relatives aux équilibres
calco-carbo-
niques dans
I'eau et au CO, dans
I'air
précisent qu'il s'agit d'un écoulement
diphasique,
transportant
du CO, dissous
et du CO, gazeux diffusant
de la roche
vels la grotte.
Au cours
de cette infiltra-
tion lente, I'eau subit
une évolution
géo-
chimiqLre conrplexe
:
10 HYDROGEOLOGIE,
N"
4,
1995
ZONE D'INfILTRÀTION DES ÀQUIFERES KÀRSTIQUES
. séjour
dans
le sol et l'épikarst,
l'eau est
soumise aux efTets de l'ér'apo-
transpiration
(reconcentration
en Cl-.
Na').
. infiltration dans des
fissures
par-
tiellenrent colrtratées
par
cles limclns,
avec altératir)n et échiinsc\ cul i()niques
liés
aux minéraux
argileux
(enrichisse-
ment
en
SiO., Na* et en K*),
. échanges
entre CO, dissous
et
CO,
gazeux
en tonction
des variations locales
de la pCO,
de lii phase gazeuse
(moclifi-
cation du dpH
et
de la
pCO.
de l'eau).
Mise en évidence
par les traçages arti-
ficiels
Les
traçages artificiels sont
classi-
quement
mis en oeuvre drns les
aqui-
fères
karsticlues.
le plus souvent
llour
montrer une relation hyclraulique
entre
une
perte
de rivière. ou un point
d'absorption
potentiel.
et Llne source. lls
fournissent
des
informations sur l'exten-
sion
des
systèrres karsliques. uinsi
que
sur les
caractéristiques
des
écoulements
soutenains
(Molinari.
1976
; Atkinson
et
Smart,
1979
: Lepiller
et Mondain.
1986). Le plus souvent. les
auteurs de
ces expériences essaient
de caractériser
seulernent les écoulements dans la zone
noyée.
Cependant. des
traça-les ont
spéciale-
ment
porté
sur
les
eaux
d'intlltration,
soit pour des études appliquées concer-
nant la
recherche
de sources de
pollution
(Kogovsek.
l9U2), soit dans le but de
préciser le fonctionnement de la zone
d'infiltration. colnme I'ont fait Gu1,ot
(1983)
et
Chevalier
(1988)
sur les sites
expérimentaux du
Languedoc.
En Slovénie.
parmi les irttilrmations
recueillies sur I'inflltration dans la grotte
de Planina à Postojna, 100
rn
sous la sur-
face. Kogovsek ii réalisé
deux traçages
par
injection
d'eau
et de traceur', tlont
l'un, au
fond d'une doline,
n'était pas
à
la verticale de la grotte. Les résultats
prouvent
I'existence d'une composante
horizontale, favorisée
par le pendage,
ainsi
que
des cotrrbes de restitution
diflé-
rentes selon les
points
d'émergence.
mais montrilnt une
dirpersion asst'z
làible et un tcmps de transit court.
Sur
le site de Corcottue. Grryot
(198-l)
a effectué des injections dans des
tbrages
préalablement vidés
; le
traceur
a
ensuite été
poussé
par
une injection
d'eau et le rnaintien
permanent
d'une
charge col)staute dans
le fbrage. La pié-
zométrie et la restitution du traceur ont
alclrs
été observées
dans
les fbrages voi-
sins. Une
seconde injection
de traceur a
été
réalisée
après atteinte du régime
per-
manent. L'alimentation en eau a été arrê-
tée après le dernier
pirssage
du traceur.
Drns ttn eus.4 injer'tions successives.
dont
3 en ré-eime
permanent,
ont été
ef1èctuées.
Seuls les
résultats accluis en
régime
pennanent
sont intelprétables.
C'est
ainsi
que
sont
calculées
la conduc-
tivité
hydraulique
et I'ouverture
des fis-
sures, résultats d'intér'êt limité dans la
nresure où l'auteur lui-même
rappelle
qu'il s'appuie sur
I'hypothèse
d'un
milieu
poreLrx
: ces
pararnètres
"e<qniva-
lents tictil.s"
varieraient
de l0-l à I m/s
pour
le premier
et de
0,
1 à 2 mm pour
le
secr)nd. Les courbes de reslitution sont
peu étalcres
; elles
présentent
cles
déca-
lages notables et des
écarts
importants de
concentration maximale selon les
forages
cl'in.jection et ceux
cl'observa-
tlon.
SLrr le site tlu Lcunulou, à la suite
de
Gaillard et Guizeri.r en 1981,
Chevalier
(1988)
a conduit son expérimentation de
façon toute ditTérente. Il réalise
des
injec-
tions de trirceur lors cle
pluies
irrtificielles
et
observe
l'émergence du traceur dans la
grotte.
Il met en
évidence une
grande
valirilé
t.le coulhes de reslitution,
uni-
ou
bimodales et plus
ou nroins étalées
selon
les
points
d'émergence
dans
la grotte.
Pour les fbrles intensités
(20
à
48 rnm/h),
la dispelsion
est faible
le long
des
fis-
sures
"majeures" (les
plr.rs
ouvertes),
plus
fblte sur les lrnes fissrrres. En revanche,
pour
les
faibles
intensités
(12
et l6
mm/h)
cette
distinction n'apparaît
pas-
L'arrivée de
I'eau
et celle
du
traceur
sont
synchrones.
"témoignant
d'un transfèrt
de r-t'uisse"
: dans ce cas. transfèrl et tran-
sit sont contirndus. ce
qui témoigne d'un
écoulement
libre
ou bien en milieu non
saturé. Cettc arrivée
cst
d'autant
plus
lapide
que
l'intensité
ùst forte.
Mais, le
tenps de réponse
varie considérablernent
(de
2 à 47 mn, avec une moyenne de 12
nm
pour
la
totalité
de l'écoulerrent) d'un
site
à I'autre. Le ternps
de
séjour
moyen.
déterminé à partir
de la distribution des
tenlps
de
sélour
(DTS)
valie.
selon
les
points,
de
7 l) I I h.
pour
un
parcours
ver-
tical d'une vingtaine de mètres, soit une
vitesse
nloyenne tle 2.5 à 0.94 l0-r m/s.
Avec
un taux de restitution
de 98 7o. le
volume tracé,
rapporté à un volume
de
vides
parcourus par un écoulement sup-
posé
réalisé en milieu
saturé, est
estimé
à
37.11 nrr. bien supérieur à celui résultant
de l'expérience
de Gaillard
et Guizerix
(
14,4 mr). Cet écart est attribué à 1'absen-
ce de
clonnées sur
la traîne
de la restitu-
tion lors de la première
expér'ience.
N'Iise
en évidence par d'autres
méthodes
L'hunridimètre
neutronique
dans les
formations
hétérogènes consolidées
est
d'un usage des
plus
délicats. Malgré
ces
difïicultés. Bonnet
et ul. (
1980) sur
le
Lamalou,
puis
Gouisset
(
i 98
I
) sur le site
de
Corconne, ollt
établi
des
profils
d'hurnidité
en forages. Ces
profils
ne
peuvent
être
interprétés
que
cle manière
qualitative,
car toute déternrination
de la
densité
et,
par conséquent, cle
la teneur
en eau de la roche
c'st
illusoire. Ils per-
metteul tie distinguer trois
zones
super-
posées
: une zone
très altérée, dans le
premier
rnètre,
ulre zone
altérée
plus
colnpacte
jusque
vers
3,5 m, une zone
plus
fàiblement
altérée. Au-dessus de
chaque
limite apparaît une humidité
plus
rnarquée.
Les mêmes auteurs ont eu
aussi
recours à des
tensiomètres qui ont
permis
de suivre
de façon qualitative
des
variations d'humidité.
à la
suite
d'arrosa-
ge.
Ce sont
toutefois des technolo-{ies
délicates
à mettre en oeuvre et bien
peu
adaptées aux calcaires.
L'analyse de la surface des forma-
tions
calcaires
permet
de révéler les
lieux probables
soit d'infiltration rapide.
soit d'infiltration retardée.
Ainsi. il est
possible
d'établir une
cartographie des
formes
karstiques caractéristiques de ces
mécanismes et des
sédiments détritiques
associés.
jouant
le rôle de couverture
protectrice
etlou de concentrateur
d'eau.
C'est I'un des buts de 1'analyse morpho-
logique
(voir
par
exemple
Nicod, 1972
;
Sweeting. 1972';
et
de I'analyse morpho-
structurale
(Bracq.
1992).
Elle devrait
nécessairement
être croisée avec les
autres méthodes
d'étude, ainsi
qu'avec
I'analyse
des images spatiales
et
aériennes,
pour permettre
de mieux défi-
nir les propriétés de I'infiltration en
HYDBOGÉOLOGIE, N" 4, 1995 11
ZONE D'INFILTRÀTION DES ÀQUIFÈRES KÀRSTIQUES
régions karstiques.
Ce n'est
pas pour le
moment
une
pratique
courante.
k'infiltratiûn. Modâlités
*t
organisatiein spatiale
Les
différentes
modalités
d'inf
iltration
Les exemples
qui précèdent
mettent
clairement en évidence deux tvoes
d'infiltration :
* une inliltratiort ropide,
qui suit en
écoulement libre les discontinuités les
plus
largement ouvertes et qui se com-
porte
comme un véritable ruissellement
:
* une infiltrution lente, en écoule-
ment diphasique,
qui circule dans
les
vides de dimensions réduites.
L'infiltration rapide emprunte un
nombre limité de discontinuités
plus
ou
moins verticales,
qui
conduisent une
par-
tie de I'eau d'infiltration très rapidement,
en
quelques
heures,
jusqu'à
1a zone
noyée.
De ce fait,
ces eaux
présentent
des caractères
particuliers. notilmment
une faible minéralisation et une nette
sous-saturation
par rapport à la calcite.
Elles se distinguent des eaux d'infiltra-
tion lente qui parcourent
des trajets de
longueur identique en
plusieurs
semai-
nes ou
même
en
plusieurs
mois.
Ces
der-
nières sont en efTèt
plus minéralisées et
saturées en carbonate dissous : elles
agissent en outre comme une véritable
t'pompe"
en entraînant et en dispersant
le
CO. produit
dans les sols dans
I'en-
semble
de la zone d'intiltration. dont les
grottes.
Il a été
montré
(Bakalowicz.
l98l) que
le CO., transporté sous
fbrme
dissoute et sous fbrme gazeuse,
difluse
au travers de la roche vers les grottes,
puis
vers I'extérieur, en
particulier grâce
à I'auréole d'altération et de décompres-
sion entourant
les cavités. Mangin et
Andrieux
(1988)
ont en outre
montré
que,
au moment des
pluies,
l'infiltration
lente introduit
dans
les
grottes
de
grandes quantités
d'air, responsables
d'
importants mouvements d'air.
Mais,
en
même
temps,
l'alirnentation
de la zone noyée des karsts s'efïectue
selon deux modalités :
. une infiltration concentnie.
depuis
des
pertes
de rivières.
. une inliltration dffise au travers de
la surf'ace calcaire et de son éventuelle
couverture
pédologique
ou sédimentaire.
En eflèt, I'aquifère
karstique
est sou-
vent alimenté en partie par des apports
superficiels.
provenant
de terrains non
karstiques. En général,
il n'existe
pas
de
ruissellement de surf'ace sur les calcaires.
en l'lbsence d'une couverture imper-
rnéable. Cette inliltration concentrée ala
propriété
d'intro<luire
localement
des
quantités
d'eau importantes dès 1'entrée
dans
l'aquifère,
et donc de favoriser le
développement du drainage souterrain à
partir
des
points
singuliers de pertes.
L'ensemble des apports superficiels non
karstiques et de I'aquifère karstique
constituent le système karstique (Man-
gin, 1975)
; ce dernier est dit dans ce cas
binaire, par opposition au système kars-
tique unaire, composé uniquement de
I' aquifère karstique.
L' infiltration
concentrée s'apparente à I'infiltration
rapide, car elle traverse en général
très
rapidement
la zone d'infiltration.
En
revanche, I'infiltration difïuse
peut
être
soit lente, soit rapide.
Comme
le montrent la plupart
des
exemples cités, la zone d'infrltration
pré-
sente, dans les 5 ou 10
premiers
mètres à
proximité
de la surf-ace, une
partie
beau-
coup
plus
fissurée et altérée à fbrte
poro-
sité
(5 à l5 Vo).
La zone d'infiltration
proprement
dite qui lui est sous-jacente
est traversée
par un nombre réduit de
vides élargis, auxquels s'ajoute
la poro-
sité tlssurale de la roche, siège de
I'infil-
tration lente
; sa porosité
est en -sénéral
limitée à I à 2 7o. Le contraste de per-
méabilité entre
la zone
épikarstique
(Mangin,
1975) et la zone d'infiltration,
qui
est de l'orclre de l0r. est tel
qu'il se
constitue localement une zone saturée
proche
de la surface, réservoir
parfbis
intéressant : c'est I'aquifère épikars-
tique.
La zone épikarstique
Définition
La zone épikarstique correspond
assez bien à la zone
des
lapiaz
des
géo-
morphologues
; parmi
eux, Corbel
(
1957), l'un des
premiers.
a souligné
l'importance des
phénomènes
liés
à cette
zone dans la genèse
et l'évolution
des
formes superficielles
particulières
au
karst; à sa suite, Birot (1966),
pour
le
karst tropical, Nicod (1912),
puis Swee-
ting (1972)
ont insisté sur les lapiaz et
leur rôle
dans
l'infiltration
et la dissolu-
tion des calcaires. Ils n'ont cependant
pas pressenti
I'importance de l'impact
hydrogéologique
de cette
zone.
En fait, c'est Renault
(1968)
qui le
premier
a montré
que
les
phénomènes
de
détente
présentent
le plus
d'ampleur en
surface. Mijatovic et Bakic
(1967),
puis
Drogue
(1969)
ont souligné la fbnction
de collecteur
des eaux vers
les fissures
plus prtll-ondes
assurée
par
cette
partie
superficielle du karst. Drogue
avait
constaté
l'existence
d'une karstification
"perchée,
avec
fbrmation probable
d'une
micro-nappe temporaire", sur le site du
Lamalou.
Mais c'est Mangin
(1975),
s'appuyant
sur des données d'hydrodynamique et
d'écologie des eaux souterraines
qui déh-
nit l'épikarst
(fig. 3). ll montre la généra-
lisation de cet élément fondamental de
I'infiltration
en terrain
karstique; il décrit
et explique
les processus qui en sont à
I'origine et ceux qui y prennent place.
Williams
(1983)
f-ait une synthèse de la
question,
en s'inspirant très largement du
travail de Mangin et en le renommant
"subcutaneous
zone
. contruirement lux
autres auteurs anglo-saxons
qui conser-
vent le terme d'épikarst.
Conséquences
géochimiques
La zone épikarstique
joue un rôle
fondamental dans le fonctionnement
hydrologique et dans la genèse
du karst.
Pour ce
qui est du fbnctionnement, l'épi-
karst
diffère une
partie
de I'infiltration
par un stockage. Cette infiltration dffi-
rée, opposée à une infiltration directe ne
subissant
pas
de mise
en réserve,
présen-
te des caractères
physico-chimiques par-
ticuliers. Ceux-ci sont dus à une recon-
centration, produite par l'évapo-
transpiration, ainsi
qu'aux processus
bio-
géochimiques
intervenant dans les sols
et à leur voisinage.
Les e[[ets cle
lu reeoncenlrati()n
se
manifestent essentiellement
par
une
diminution des volumes d'eau stockés et
par
une augmentation de leurs teneurs en
Cl- et en Na* (Schoeller,
1962
I Bakalo-
wicz et Aminot, 1974). Les bilans
géo-
12 HYDROGÉOLOGIE, N' 4, 1995
ZONE D'INfILTRÀTION DES AQUIFERES
KÀRSTIQUES
chimiques
pour
Cl-
et Na* sont en
géné-
ral équilibrés à l'échelle
annuelle ou
plu-
riannuelle, selon l'importance
des
réserves totales
des aquifères étudiés.
Aucun effet sur les teneurs en l8O et en
2H
n'a pu être mis en
évidence sous cli-
mat tempéré
(Eberentz,
1975; Puyoô,
1976
; Fleyfel,
1919
; Margrita
et uL.,
1984
; Bakalowicz
et Jusserand, 1987).
Les processus
biogéochimiques sont
évidemment classiquement révélés
par
la
production
de
CO, dont les variations
de
pression partielle
dans les sols, comme
dans les
eaux, ont été soulignées
par
de
nombreux
auteurs
(entre
autres Atkin-
son, 1977
; Bakalowicz, 1979;
Schoel-
ler. 19801. Mais.
certains constituants
minéraux
mineurs varient
du fait de
I'activité biologique
dans la zone épi-
karstique. En particulier,
I'appauvrisse-
ment en K+ et en SOo2 sont révélés
à
chaque fois que les
évolutions naturelles
ne sont
pas masquées par des apports
anthropiques. Dans
certains cas, les
variations
des teneurs en SO*2-. rpp()rtés
par
les
précipitations,
s'opposent
à celles
du CO, (Bakalowicz,
1980; Viéville,
1983; Botton, 1984),
conformément à ce
que connaissent les pédologues.
L' immobilisation
de certains consti-
tuants est confirmée
par l'établissement
de bilans géochimiques
: 90 o/c,
de K* et
30 à 50 % de SO.r2 sont ainsi soustraits
à
l'écoulement
dans la zone épikarstique.
Implications hydrodynamiques
Le stockage assuré
par la zone
épi-
karstique, qui est discontinu
dans le
temps et dans I'espace,
est
prouvé par
I'existence
de
puits
à faible rendement
et
d'écoulements pérennes
dans
des cavités
proches
de la surface et par la présence
quasi
systématique de microcrustacés
spécifiques
au milieu, soit dans
ces
puits,
soit dans les égouttements
des grottes
(Rouch,
1968
; Lescher-Moutoué,
1973).
Mangin
(197-5)
a estimé,
pour
le système
karstique
du Baget, le volume
d'eau rete-
nu par
la zone épikarstique lors
de deux
crues. En début de cycle hydrologique,
après un long étiage,
0,5-5
hm' auraient
été retenus
près
de la surface, valeur
peu
différente
de celle obtenue en fin de
l
recnarse
(u.)
/) hm ).
c"ir. .er..u. o.o.n"
de la surface
assure une alimentation
oermanente de
I'infiltration
lente vers la zone
noyée
(rl
les
exemples des
grottes
de Niaux
et de
Sainte-Catherine
déjà cités). Mais cet
écoulement
est-i1 suffisant
au point
d'être responsable
de l'écoulement sou-
tenu de certaines sources
karstiques drai-
nant un karst noyé profond
'l C'est ce
quc supp()sent
certains ruleurs
(Williarns,
1983, citant I'exemple
étudié
par
Gunn, 1978
; Mudry, 1987
; Lasten-
ner, 1994).
C'est I'approche
de Mudry,
Puig et
Lastennet,
s'appuyant sur I'exemple
de
Fontaine
de Vaucluse. Leur argumenta-
tion se réfère à certains marqueurs
natu-
rels spécifiques
de la zone épikarstique,
comme les fbrtes teneurs
en Cl . Cepen-
dant, les fbrtes teneurs
en Cl- ne sont
pas
une
preuve
suflisante d'un stockage de
I'eau
dans
l'épikarst.
En effet, les masses
d'eau
peuvent
avoir été simplement
déplacées
de l'épikarst vers
une réserve
plus profonde,
vers un karst noyé hétéro-
gène, qui ensuite
participe
aux écoule-
ments de vidange
des réserves noyées,
à
I'occasion
de
fàibles pluies.
Précisément,
les faibles pluies,
surtout en étiage, ne
présentent
pas toujours
de variations
de
débit à la source,
comme cela a été mon-
tré pour des sources karstiques
(Bakalo-
wrcz, 1979; Mudry
et Blavoux, 1987)
et
lors des expériences
de pluie artificielle
(Chevalier.
1988).
Mudry, comme Williams, propose
de
décomposer I'hydrogramme
d'une sour-
ce
karstique
en s'appuyant
sur le chimio-
gramme,
afin de montrer
la contribution
de la zone épikarstique
dans le stockage
et I'alimentation
permanente
de la sour-
ce. Il s'agit
d'un problème
délicat
à
aborder
à partir de I'exemple
d'un karst
complexe comme Vaucluse,
le karst
noyé est
probablement
fiactionné
en
plu-
sieurs zones
noyées en cascade ou en
dérivation.
Cette complexité,
montrée
-:::
I
I
I:i-
-1-
Blt
ç-
lr''
t:
)I
L
IL
*- t- r
li
\lltli
l-
I
Fig. 3.
- Représcntation
schématique de la zone
épikarstique
(d'après
Mangin, 1975).
La surface est
frgurée ici sans couverture
pédologique
continue, rrais avec un sol occupant seulement les fentes
du
lapiaz. En A apparaissent les fiactures les plus largcrncnt
ouvertes; en B les fissures
plus fines. Il se
crée un contraste de perméabilité cntre la zone épikarstique aux fractures nombreuses et largement
ouvertes
et la zone d'inflltration sous-jacente.
Cctte discontinuité est responsable
de I'apparition
d'unezonesaturéedrainéerapidenentparunruissellementlclongdesaxes
A(infiltrationrapide)et
lentement
par un écoulcment diphasique au travers
dcs flnes
flssures B (infiltration lenrel.
Fig -). - Epikurstit: zone modeL,
Jront Mungin (1975). The land surjhr:e is showrt there without any
(:onIinLtott.t
soil cover, but only with soil remains in enlarged
joinls of a kurren. At site A the widest
Jissures
ttre shorvt; aI site R the
Jine,st
cracks. A high contrast in hydraulic conduc'tivity
appears ber-
vçeett the epikurstir: ztnte, with nuneroLts and witle joints, antl the underlting inliltration ltne. Such a
discctntintti^ creates a penhed saturated
zone,
rapùll,- drained by'A pathflows (fàst infiltration) and
slov,lv seeping, as u
two-phase
percolatiort
uktng tlrc nurrow cracks B (slow infiltration).
ir-'
,lr
-ll
'1
t
It
HYDROGEOLOGIE,
N' 4, 1995 13
ZONE D'INFILTRÀTION DES ÀQUIFERES KÀRSTIQUES
notamment par
Mangin
(1975)
par
une
méthode
de classification,
f'ait
que
les
efl-ets d'une éventuelle alimentation
per-
manente
par
l'infrltration ne
peuvent pas
être simplement analysés au travers de la
zone noyée alimentant l'exutoire.
Cette démarche devrait être considé-
rée
avec
la plus grande prudence.
En
effet, comme nous I'arvons vu, hydro-
gramme et chimiogramme correspon-
dent à deux mécanismes distincts. le
transfert et le transit,
possédant
leur
dynamique
propre,
même s'ils sont
pro-
voqués
par une cause commune, la
pluie.
De plus,
I'analyse
ile l'hydro-
gramme
et du chimiogramme en pério-
de de crue est des
plus
délicates
; en
effet, du fait que le régime n'est pas
permanent,
il n'est
pas possible.
en
toute
rigueur,
d'analyser
le
chimio-
gramme,
ni ie flux de rnatières dis-
soutes,
pour faire la part, à partir des
mélanges, des difTérentes composantes
et en déduire certaines caractéristiques
de
I'aquifère
(voir
Nir et Lewis, 197-5).
En fait. la contribution de I'inflltra-
tion à I'alimentation du karst noyé,
pro-
venant
d'un aquifère épikarstique, est en
général
mise en évidence lors de I'analy-
se de la récession. comme le montre
l'analyse
proposée
par Mangin.
Cepen-
dant, cette
possibilité
d'alimentation
per-
manente du karst noyé
par une
infiltra-
tion lente et différée, et susceptible de
soutenir l'écoulement de sources à l'étia-
ge, mériterait
d'être recherchée au
moyen d' approches diflérentes.
La zone épikarstique se
présente par
conséquent comme une extension du sol
et comme
l'interface de l'aquifère kars-
tique avec 1'atmosphère et la biosphère.
De ce
fàit,
elle
participe
activement à la
morphogenèse. En son sein,
la dissolu-
tion intervient
grâce
à un temps de séjour
localement long, et grâce
au CO, et aux
complexes organiques
qui agissent
le
plus efficacement sur leur lieu de pro-
duction et de dissolution. En outre. la
végétalion
et
le
climat
interviennent
directement en provoquant
l'éclatement
de la roche, I'ouverture des
fractures,
mais aussi en introduisant des altérites et
des sols
qui tendent à ralentir les
écoule-
ments verticaux.
L'organisation
spatiale de
la zone
d'inf
iltration
des
karsts
Dans la zone épikarstique, du fâit de
I'abondance des discontinuités. de leur
interconnexion
poussée
et de
la
présence
fiéquente
de
fbrmations pédologiques
ou
détritiques frnes. les écoulements
présen-
tent une composante horizontale locale-
ment dominante.
C'est
ce que
montrent
certaines des données recueillies sur les
sites
expérimentaux cités.
En revanche,
sous
la zone épikars-
tique, les écoulements verticaux
prédo-
minent
jusqu'au
karst noyé
; il résulte de
ce fâit que
ces écoulements verticaux ne
sont
pas
déterminés
par la morphologie
générale
extérieure. La situation locale
est alors
prépondérante.
Les écoulements
sont rapides
diins des
fractures
et des
cavités assez
larrgement
ouvertes et à
développement
vertical,
comme
par
exemple
les
gouffres
très étroits et
sinueux,
dénommés
"méandres"
par les
spéléologues.
el
qui
prennenl
nuissunce
sous les lapiaz.
Ces conduits verticaux de la zone
d'inflltration aboutissent dans des drains.
ou "collecteurs"
des spéléologues, ou
dans des cavités de
grandes
dimensions,
eOrrespondunt uux
systèntes
annexes uu
drainage. De même, les
pertes
de cours
d'eau venant de terrains imperméables et
concentrant
les eaux de surface sont en
général
raccordées directement au drai-
nage du karst noyé
(r'l les
pertes
de
I'Ouysse en Quercy,
Beaudoing er a/.,
l 989).
Enfin. de nombreuses observations
en foruge.
en carrière
et en mine mon-
trent
que
la zone noyée
des aquifères
karsticlues
présente
une particularité
par
rapport
à la zone noyée
cles autres aqui-
fères,
en
plus
de I'existence de la struc-
ture de drainage
; en général,
le karst
noyé ne s'étend
pas
à I'ensemble de la
forrnation
carbonatée du système, mais
seulement aux zones
liées
à I'infrltration
concentrée et/ou
rapide
et aux émer-
gences.
Le plus
souvent,
la plupart
des
frssures fines. non élargies
par la
karstifi-
cation, sont lèrrnées aussi bien par
col-
matage
détritique, apporté
par les écou-
lements des vides les
plus largement
ouverts,
que par précipitation
chimique
des carbonates
(Vandenberghe,
1964
;
Schoeller,
1965). L'une
des consé-
quences
est
I'apparition,
à I'amont
du
karst noyé,
d'une composante
plutôt
horizontale
des écoulements à la base de
la zone d'infiltration. constituant la zone
de ruissellement souterrain
(Gèze.
r
965).
Rôle
de
la zone
d'infiltration
dans la karstogenèse
La zone d'inf iltration ne
joue
pas
seulement
un rôle de transfert de I'eau
vers
le karst noyé. Eile intervient aussi
dans la distribution spatiale et temporelle
de l'eau et, donc, dans la répartition des
lieux de dissolution. à la fbis verticale-
rnent
(dissolution
en surfàce ou en pro-
lbndeur) et horizontalement, en contri-
buant à la hiérarchisation du karst noyé
en drain et en systèmes
annexes au drai-
nage. En effet,
I'eau
d'infiltration
lente
ou différée dissout la roche
et élargit
les
fractures à proximité immédiate de la
surface. Ewers
(1978),
à partir d'expé-
riences,
White
(1988)
et Dreybrodt
(1988),
à partir
de modèles s'appuyant
sur la cinétique des réactions de dissolu-
tion de CaCO. et sur des données
concernant la largeur et la longueur des
fractures et des tlssures, montrent
que
la
plupart
des vides ne sont ouverts
que
dans les
premiers
mètres et que
l'élargis-
sement d'un
petit
nombre seulement
pro-
gresse
relativernent rapidement,
en
quelques
milliers
d'années,
en
profon-
deur
pour
atteindre les dimensions de
conduits.
En revanche, l'eau d'infiltration rapi-
de. suivant un nombre réduit de fiactures
ouvertes
plus
largement dès l'origine,
déplace en profondeur,
c'est-à-dire au
niveau de la surface de la zone noyée, les
conditions de dissolution
généralement
rencontrées dans la zone épikarstique. Il
en va de même
pour
les
eaux
provenant
de pertes.
Dans les deux cas, ces eaux
sont
pourvues
en CO, en partie
dès le
début de leur introduction dans les cal-
caires
; mais elles s'équilibrent
de toute
façon
avec
le CO, introduit dans
l'ensemble
de la zone
d'infiltration
par
I'eau d'infiltration lente
(Bakalowicz.
t911).
Parmi les lieux d'arrivée de I'infiltra-
tion rapide dans la zone noyée, certains
14 HYDROGÉOLOGIE, N' 4, 1995
ZONE D'INFII,TRÀTION DES ÂQUIfÈRES KÀRSTIQUES
présentent
des caractéristiques
hydrody-
namiques
telles
que
les
temps de séjour
sont très courts,
par
exemple au voisina-
ge immédiat de la source ou sur une dis-
continuité
bien ouverte conduisant
à la
source. L'eau tend alors à émerger de
l'aquil'ère
en état
de sous-saturation
d'autant
plus marquée
que le temps de
séjour
est court; I'efficacité
de la disso-
lution n'est
donc
pas
maximale.
En
revanche.
le renouvellement
de I'eau
favorise
l'évacuation
des matières dis-
soutes, donc
un certain élargissement. A
I'opposé,
certains sites
présentent
des
caractères tels
que
le temps de séjour est
très long, donc
que
I'eau
contient le
maximum possible
de matière
dissoute
;
mais alors son renouvellement
est mal
assuré. Entre les deux situations
se
place
un optimum,
pour lequel le temps
de
séjour
est
proche
du temps de réarlisation
des
équilibres de dissolution.
Dans ces
conditions
de variabilité
spatiale de la
distribution
originelle de la
dissolution et
du transport des carbonates, il est aisé-
ment concevable
que des frlrmes
kars-
tiques souterraines
très diflérentes doi-
vent
prendre place,
comme c'est le cas
en surface.
C'est ainsi
que se
dévelop-
pent
les
axes de drainage et les vides
associés ou systèmes annexes au
draina-
ge, grands
volumes
aux relations hydrau-
liques
plutôt
difïciles avec le drainage.
au moins
dans un
premier
temps.
Ainsi. la hiérarchisation
des écoule-
ments et des vides
de la zone noyée
est
totalement déterminée
dans la zone
d'infiltration. Par exemple,
si I'infiltra-
tion rapide
est
peu
ou non représentée,
comme c'est le cas cles karsts unaires. la
mise en
place
du réseau de drainage
doit
nécessiter
un temps nettement
plus
long
que
si I'infiltration
rapide,
sous la fbrme
d'une infiltration
concentrée,
est large-
ment
dominante. La plupart
des
grands
réseaux
spé1éologiques
i\ travers 1e
monde
(par
exemple, le réseau de Mam-
rnoth
Cave
- Flint
Ridge dans le Kentuc-
ky ; les réseaux
Trombe et de la Pierre
Saint-Martin dans les Pyrénées)
tient son
origine
dans des écoulements
de surface
alimentant
une infiltration
concentrée.
En revanche.
de
grands
ensembles carbo-
natés,
qui n'ont
jamais
été alirnentés par
des
pertes
d'écoulements
de surface,
sont souvent
pauvres
en cavités
péné-
trables et présentent
un fbnctionnement
d'ensemble
peu
karstique
; tel est le cas
du Larzac septentrional
(Bakalowicz
et
Ricard.
l994).
Du fàit de la sensibilité
particulière
du karst
aux variations
du niveau de
base. sensibilité liée
i\ sa dynamique
rapide
de mise
en place,
les vides
du
karst
noyé sont incorporés
dans la zone
d'infiltration lors
de
l'entbncement
des
vallées. C'est ainsi
que
des vides de très
grandes
dimensions,
parcourables
par'
I'homme.
créés dans la zone noyée,
deviennent partie
intégrante
de la zone
ci
'inl'i
ltrution. dont l'organisation
est
alors
profondément
modifiée. Le rôle de
ces vides
dans
les
échanges avec I'exté-
rieur est
considérable
(Mangin
et
Andrieux, 1988).
En effet, il s'établit
entre les
grottes
et I'extérieur
des
f'lux
de
CO, gazeux,
de vapeur
d'eau et de cha-
leur qui rnodifient
au moins
localement,
parfbis
de façon importante,
les carac-
tères
physico-chimiques
de 1a zone
cl'intrltration. Trombe
(1952),
repris
par
de nombreux auteurs,
envisage même
que
ces éch;rnges
d'air avec I'extérieur
puissent
contribuer à des irpports
d'eau
par
condensation. qui rendraient
compte
des écoulements
permanents
rencontrés
à plusieurs
mètres sous la surf'ace.
Outre
le fàit
que
ces écoulements
sont très bien
expliqués par
I'existence
d'un stockage
dans la zone épikarstique, il fàut remar-
quer que
le ehimisme
tCl
. SOrr-t et les
teneurs en isotopes
stables
(180,
2H)
sont
ceux des
précipitations,
éventuellement
reconeenlrées par
érapotrunspirution.
et
non ceux d'eaux
de condensation.
Effets
de I'infiltration
sur le
fonctlonnement
de
I'aquifère"
tonséquence$
Les caractéristiques
de I'infiltration
d'un système karstique
déterminent
en
fait I'organisation
d'ensemble
des écou-
lements
souterrains qui le parcourent,
comme le montre
le rôle
joué
per
l'infil-
tration
dans la genèse
des structures
karstiques. Il en résulte
que
le fbnction-
nernent
du système
(fig.
4) dépend
pour
partie
des conditions d'infiltration
et
pour partie
du degré de développement
du drainage
karstique.
L'infiltration
conditionne le
fbnction-
nement
d'ensernble de I'aouifère
kars-
tique
par des effets
sur la qualité
et les
quantités
d'eau
clus à :
. un stockage
dans la zone
épikars-
trque,
. la prédominance
de l'un ou I'autre
type
d'infiltration
(lente
ou
rapide),
. I'existence
d'une inflltration
concen-
tree.
Effets
dus à
la
zone
épikarstique
La présence
d'une zone
épikarstique
bien développée favorise
et soutient
I'inflltration
lente
à
partir
de ses réserves
saturées.
Elle accroît le temps de séjour
de I'eau,
donc augmente
les effets de la
dispersion
et de la dilution. Enfin, elle
f-ait intervenir les processus
biogéochi-
miques susceptibles
de modifier la quali-
de I'eau
d'inflltration.
Une couverture
pédologique
ou sédimentaire
continue
joue un rôle
comparable
et accentue les
effets liés à l'épikarst,
en augmentant sa
capacité
de stockage.
Effets
dus à
l'infiltration
rapide
L'inflltration
rapide
est associée à un
nombre limité
de
points
situés sous la
zone epikurstique.
Ces
points
sont
sou-
vent liés
à des formes
superficielles
typiques comme les
dolines. Cependant,
compte tenu
du caractère
généralement
polyphasé
des
paysages
karstiques,
la
surface
présente
côte à côte des dépres-
sions tenant leur
origine de phases
de
karstification
difïérentes. De ce fait,
seules certaines
d'entre
elles sont
connectées
à la structure
de drainage
fonctionnelle:
les
autres en sont indé-
pendantes
et/ou
sont colmatées.
Les
dolines ne doivent
donc être considérées
que
comme un indice
de localisation
de
I' inflltration
rapide.
Les
cheminements
possibles
de
l'infiltration
rapide
apparaissent bien
sur
les
"pavés"
ou
"pavements",
bien connus
en haute montagne
et dans les
îles Bri-
tanniques
; ceux du Burren
en Irlande
sont très
célèbres.
Ce sont
en
général
des
surfaces
structurales de calcaires. dénu-
dées et parcourues
de fiactures
ouveftes
espacées
de quelques
dizaines de
mètres
; elles sont
considérées comme la
première
étape
ilans la constitution
des
lapiaz.
Nombre
de ces
pavements
résul-
HYDROGÉOLOGIE,
N" 4,
1995 15
ZONE D'INFILTRÀTION DES ÀQUITÈRES I{À,RSTIQUES
PRECIPITATIONS OU
APPORT
D'UN AUTRE
SYSTEIVIE
+ +l+ I
i \ **ir**rJ*^',on
/
I rERn^rf,r l\ I I /
I rtor.r<rnsrrours
| \ | 1 /
- r-,\i l/
\ \r-v-
I tr-nlrR^rroN
I
I DIFFEREE I
| ,fc,rm.r I
I Epllirrrlqrr I
/\
t
^""t*tdl t^""t*"""1
I R^PrpE I I LFrrE I
l\t'l
I t
-"*'"*"*'l I
z)r\E I lsownnn'tnl I
Dî{nlrR^rrorï | | |
iffi++l
I*'*"-r<=E--@
| À\}Etas l-
|
D(r..rrorREs DU SYSTEME
T(ARSTIQTJE
Fig.4. Schéma
fonctionnel et structural du systèrne karstique, montrant les différentes modalités
de
I'infiltration alimentant le karst noyé, comme il ressort des infbrmations fburnies par I'hydrogéochi-
rnie (Bakalowic
z, 1919).
Fig. 1 - Behoviour und strlr(tLtre ol ktrst stsrem, showing the difiLrent infiltratiort types.feeding the
saturated kar,gt, cts show'tt bt' the water geochemistrt epproa('h
(RakctknricT.,
1979).
tent en fait de la destruction et de l'éro-
sion de la zone épikarstique,
qui les sur-
montait, sous
I'effet d'un rabotage
gla-
ciaire. Les sols récents
qui les ont
ensuite recouverts ont souvent disparu
par érosion après défbrestation et surpâ-
turage.
Effets
dus à
I'infiltration lente
L'infiltration lente parcourt
la masse
rocheuse
cornprise entre
les fiactures les
plus
larges. La plupart
des
roches cal-
caires karstifiées
possède
une
porosité
de
matrice très fàible, sinon nulle, du fait de
la diagenèse
et de
la recristallisation
des
carbonates
; aussi l'écoulement se
pro-
duit essentiellement dans la fissuration la
plus
fine. Certaines
roches sont affectées
cependant d'une
porosité
non négli-
geable,
comme la craie et les calcaires
récents
qui
sont
peu
touchés
par
la diage-
nèse
; I'infiltration lente
joue alors un
rôle considérable : les transferts vers la
zone noyée sont filtrés, le ternps de
séjour
peut
être très long (cl Downing
er
al..1993\.
16 HYDROGÉOLOGIE, N' 4, 1995
Effets
dus à
I'infiltration
concentrée
Les relations hydrauliques aisées de
la surfàce avec la zone noyée
sont assu-
rées
par
I'inflltration rapide
directe et par
I'inflltration concentrée.
Cette dernière
représente
très souvent
plus du quart de
l'écoulement total
dans
les karsts
binaires, du fàit que les surfaces imper-
méables
drainées ainsi couvrent
généra-
lement plus
du
quart
de I'ensemble. C'est
pourquoi
les réseaux de drainage sont
préférentiellement
développés à partir
des
pertes;
ils constituent la voie d'éva-
cuation
rapide
de quantités
d'eau impor-
tantes. Les pollutions
associées
restent
plutôt
concentrées et
peu
dispersées.
Aussi.
en l'absence
d'infiltration
concentrée,
les apports massifs d'eau et
de
polluants
sont
limités
à des zones
peu
étendues 1iées à I'infiltration rapide.
Celle-ci contribue de façon limitée à
l'écoulement
total. Au niveau de I'exu-
toire du système. cette situalion se
lra-
duit
par
une dispersion
plus
marquée,
du
fait de points
d'entrée
plus nombreux,
et
une certaine dilution, du fait de la part
plus
faible de I'infiltration rapide.
Autres
conséouences
Certaines conséquences des condi-
tions d'infiltration dans les karsts
portent
uniquement sur des aspects spectacu-
laires etlou
purement
scientifiques. Tel
est le cas des concrétionnements des
grottes.
Ils constituent un
patrimoine
remarquable, non seulement comme
ornementation de la plupart des grottes
aménagées
pour
le tourisme. mais aussi
comme
I'un des témoignages les
plus
ubondants des
paléoenvironnements
continentaux.
Conditions d'infiltration et
vulnérabilité
des
ressources
en eau des
karsts
Mais surtout. I'infiltration
alimentant
le karst noyé conditionne
pour une
gran-
de part la sensibilité
des
ressources
en
eau des
karsts
aux apports
provenant
de
la surface, et en
particulier
les
pollutions.
Cette vulnérabilité
(ct' Bolner et Tardy,
1989: Kogovsek, 1994)
est accrue ou
ZONE D'INTII,TRÀTION DES AQUIFERES
KÀRSTIQUES
atténuée selon
que le karst noyé
possède
ou non une structure de drainage
évo-
luée, s'opposant à la dispersion
et au
mélange d'eaux d'infiltration
possédant
des histoires hydrologiques très dif-fé-
rentes. comme
le montrent les distribu-
tions de fréquence de la qualité
chimique
des
sources au cours de cycles
hydrolo-
giques
(Bakalowicz,
I 977).
Ainsi, une
pollution
en surface
peut
gagner
très rapidement
la zone noyée et
la source, aussi bien à partir de pertes
que depuis
la surface calcaire, comme
cela a été montré sur le site des grottes
de Postojna. Ces transits
rapides sont
responsables de la réputation médiocre
des aquifères
karstiques : le rôle épura-
teur serait nul ou très
limité. comme le
montrent
les
expériences
sur le suivi de
la pollution
bactérienne
menées en Suis-
se
(Miserez,
in Litt.).
En revanche. ce
défaut est compensé
par des efÏets de
dilution parfbis
très
grands
et surtout
par
la quasi
absence de
retard
des
pollutions,
provoqué
dans d'autres contextes
par la
dispersion
et
par
l'adsorption; ceci
réduit considérablement le temps de
pas-
sage des eaux
polluées.
C'est pourquoi
la protection
des
res-
sources en eau
et la gestion
de I'espace
en régions karsticlues
passe
d'abord
par
le
bilan des connaissances
sur les condi-
tions d'infiltration. Celui-ci
s'appuie sur
I'inventaire et la cartographie 1) des
points
d'absorption
privilégiée,
alimen-
tant l'infiltration rapide, concentrée ou
non, 2) des
zones
protégées par une cou-
verture sédimentaire
ou pédologique
épaisse et continue, et 3) des
zones dénu-
dées,
avec ou sans zone épikarstique
développée.
Les cartes de vulnérabilité
consistent alors à définir à partir de ces
données des zones de sensibilités diffé-
rentes. Différentes approches sont
propo-
sées
pour
définir le degré de
vulnérabilité
et les limites des zones
; il faut retenir
celle de Doerfliger
et Zwalhen
(1995)
et
la synthèse collective réalisée
par
I'Action
COST 65
(199-5),
établie à
partir
des lravaux
et des connaissances en
matière de protection
des ressources en
eau
soutemaine de seize
pays
d'Europe.
Rr*férences
ANDRTEUX C. (1979). Problèmes soulevés
par
I'action des circulations
d'eau et d'air sur le clirnat dcs cavités
souterraines dans les massifs karstiques.
-
Coll.internat.CNRS,2Tl.
l9TT.LutindcstcmpsglaciairesenEurope,pp.
127-140.
ANonreux C. (
1990).
- Le climat des
grottes.
- Les Dossiers d'Archéologie,
152,
pp.64-61
.
ArxrNscrx
T.C.
(1977a).
- Diffuse flow and condr-rit
llow in limestone terrain in the Mendip Hills, Somerset,
Great Britain.
- J. Hvdrol.,35, pp.93-l10.
ArxrlsoN T.C. (1977b).
- Carbon dioxide in thc atrnosphere of the unsaturated
zonc:
an important control of groundwater
hardness
in limestones.
-
J Htdrol.,35,
pp. I I | 123.
ArrrNscrx
T.C.,
Su,rnr PL. (
I
c)79).
- Traceurs artificicls cn hydrogéologie.
- BulL. BRGM,3,3, pp.
365-380.
ArKrNsoN T.C., Surru D.l. (
I976).
- The erosion of limestones,
pp. l-5 I- 177. Ford T.D. ed., The science of spclcology.
Academic Press, London.
AL'BERr D. (1967). Estimation de la dissolution superficielle diins
lc Jura.
- Bull. Sot'. vattdoise Sci. nat..69, 8.
pp.
365-376.
AuBERT D. (1969).
- Phénomèncs
ct lormes du karst
jurassien.
- Etlogcte
geologicue
Helt'etittte.62,2,pp.325-399.
B,qxeLowtcz M. ( |
975
). Géochimie des eaux karstiqr.re
s ct karstillcat ion . - Ann. Spé léoL.
, 30. 4, pp. 5 8
I
--5
U9.
Blxrr-owrczM.(1976).-L'évolutionduchinrisme
d'uneeaud'unesourcekarstique.-3'Conv.internaz.sulleAcquesotterane,Palermo,nov.
1975.
Brrtowrcz M. ( 1977a).
- Etude du degré d'organisation des écoulernents souterrrins dans
les aquifères
carbonatés
par une méthode
hydrogéochimique
nouvelle. - C. R. At'ttd. Sci., Pari.s. série
D, 28'1.
pp. 2163-2466.
Brr,rlowrcz M. (1977b).
- Relations cntrc
la dynamique des eaux du karst et les
processus
de karstification.
- Proc. Tth Internat. Speleol. Cong., Shef-
field.
pp. l0-12.
Brxrr-owrcz M. (1979a).
- Contribution dc la
géochirnie
des eaux à la connaissance dc l'aquilère kârstique et de la karstification.
- Doctorat
ès Sciences
naturelles, Univ. P et
M. Curie,
Paris 6. Céologie clynamiquc ct Laboratoire Souterrain CNRS, 269
p.
B,qxer.owrcz
M. (1979b).
- L'anhydride carboniquc dans
la karstogenèse.
- Actes Symposiurn
internat. sur l'érosion karstique, U.I.S., Aix-en-Provence,
pp.:ll-;113.
BereLowrcz M. ( 1980).
- Un précieux informateur hydrcgéologique: le s1,stème chimique CO,-H.O-carbonate. - Coll. Cristallisation,
Défbrmation, Dis-
solution des carbonates.
Bordeaux, nov.l980.
pp. I I 23.
B,qrelowrcz M. (1981). Les caux d'inllltration dans I'aquifère
karstiquc.
- Proc. [Jth Internat. Cong. Speleology,
Bowling Green, USA, july 1981,
vol.2, pp.
110-1
13.
B errrowrcz M. (
I 984
). - Water chernistry of sonre karst environments in Norway. No
rsk geog
r Tidsskr.,38. 3
-4, pp. 209-214.
B.creLowrcz M. ( | 992
). Géochimie des eaux et flux de matièrcs dr
ssoutes. L'approche ob.jective du rôle du c limat dans
la karstogenèse,
pp. 6 I
-74. Sous
la dir. de J.N. Salomon
et R. Maire. Karst et évolutions climatiques.
Presses Universitaires de Bordeaux,
Bordeaux.
Bexrr-owrc'z
M. (1994).
- Water
geochemistry
: watcr
quality
and dynamics,
pp.97-121
. J. Gibcrt.
D.L. Danielopol et J.A. Stanford ed., Groundwater
Ecology. Academic Press. San
Diego.
HYDROGEOLOGIE, N' 4,
.I995 17
ZONE D'INFIIJTRÀTION DES ÀQUIFERES KARSTIQUES
BereLowtcz M., AutNor A. (1914). - Géochimie d'aquilères karstiques.
3. Prerniers
résultats obtenus sur le système du Baget durant le cycle hydrolo-
gique 1973.
- Ann. SpéLéo\.,29.4,pp.484-493.
Bexel.owtcz M., Jussene,n'o C. (1987). - Etude de l'infiltration en milieu karstique par les méthodes
géochirriques er isotopiques.
Cas de la grotte de
Niaux (Ariège, France).
- Bulletin du Cenrre d'Htdrtryéobgie de Neuchârcl, 7. pp. 26-5-283.
BAKALowrcz M., MANcIN A. (1980). L'iiquitère karstique.
Sa définiticrn. ses
caractéristiques et son identification. - Mém. h. .çérie So<'.
géol. France,
n" I l,
pp.7l-79.
Brrrrowrcz M.. Oltve P (1970). Teneurs
en tritium des caux du Taurus occidental
et de Pisidie (Turcluie).
- SchweizerZeitschr(tfiir Ht'droLogie,32,
2, pp. 475-480.
Ber,qLowlczM.,RICARDJ.(1994).-Karsticaquifersof
theGrandsCausses(France).Waterreservesthatnustbeprotected,pp.
137-l48.N.Cramponet
M. Bakalowicz ed., COST 65 Action "Hydrogeological aspects of groundwater
protection in karstic areas".
Basic and applied hydrogeological research
in french karstic areas. Montpellier-Millau Wolkshop, may,5-8, 1994. Eurt>pean
Commission, Directorate-General,
Science,
Research
and Development,
Bruxelles.
BereLowtcz M.. Blevottx B., IV{eNcrN A. (1974).
- Apports du traçage isolopique
naturel à la connaissance
du fonctionnement
d'un sysrème
karstique.
-
J. Hydrol..23,
pp.
l4l-158"
BeeuoolNc G. et aL.
(1989). - Traçages et protection des captages dans le karst : détermination des
paramètres
de transfert et prévision de la propagation
des
pollutions dans
le réseau karstique de I'Ouysse, causse de Gramat (Lot. France).
- Hydrogéologie,4, pp. 219-292.
BInor P (1966). - Géographie.
Le relief calcaire.
- Centre de Documentation
Universitaire,
Paris, 238 p.
Blevoux B., Muonv J. (1983). - Séparation des
composantes de l'écoulement d'un exutoire karstique à I'aide des rnéthodes
physico-chiniques. - H'-dro-
géobgie. Géologie de I' Ingénieur, 4, pp. 269-278.
Buvoux 8., Mt-ronv
J. (1986).
- lnfluence des pluies
c-stivales sur la qualité
des réserves de I'aquitère
karstique
irôle du sol et de l'épikarst
dans
la
concentration des
chlorures.
- Bull. Soc.
eéttl.
France,2.4,pp 667-671.
Brevoux 8., Buncen A.. CHnuvn P, Mrrony J. (1979). Utilisation des isotopes
du milieu à la prospection
hydrogéologique de la chaîne
karstique du
Jura.
- Rev.
Céol. d,-namique
Géogr physitlut'.21, pp. 295-306.
Blevoux B., Muonv J., Pulc J.M. (1992). - Bilan, fonctionnement et protection du système karstique de la Fontaine de Vaucluse (Sud-Est de la Fran-
ce).
- Geodinamic'a Acta,5, 3, pp. 153-112.
Bol-Nsn K., T.qnov
J.
(1989a). Bacteriological
and chemical
investigations
of dripping
waters in the caves
of Budapest. Proc. 1988 inrernat.
symposium
onphysical,chenricalandhydrologicalresearchofkarst,Kosice,May
l0-15.
l9SS.SlovakSpeleol.Soc.,Czechoslovakia.pp.
l02-108.
Bol-Nen K.. Trnov J.
(
I
989b).
- Chemical and
bacteliological test series of stalactite waters
i n Budapest caves.
Proc. I
988
internat. symposium
on physi-
cal, chemical
and
hydrological research ofkarst. Kosice, May l0-l-5, 1988.
Slovak Speleol. Soc.,
Czechoslovakia.
pp. 109-l I l.
BoNtN
H. (1980). Contribution à la
connaissance
des
réservoirs
aquifèrcs
karstiques.
Un exemple : le
Causse de I'Hortus.
Un site
expérirnental : la sour-
ce du Lamalou. Doctorat d'Université en Sciences
naturelles, Université de Montpellier, 122
p.
BoNNsr M. el al. (1980). Etude des mécanismes
de l'alimentation
d'un nrassif
karstique
à travers
la zone
non saturée. Application
au massif
de I'Hor-
tus. - Rapport BRGM, 80 SGN 09-5 HYD, 60 p.
BorroN R. (198-l).
- Etude hydrogéologique
de I'intlltration et de la zone noyée
d'un aquifère
karstique
sur
un champ de fbrages.
- Doctorat
3" Cycle,
Université des Sciences et Techniques du Languedoc.
Montpellier,
338
p.
+ annexes.
Bne.cQP.(|992J._L.effetd.écheIIesurlecontporteInenthydrod1,namique
le.
- Doctorat de
Sciences,
Laboratoire
d'Hydrogéologie,
Université de
Lille.
CeeRol P. (1978). Contribution à l'étude clu
concrétionnement carbonaté
des grottes
du sud de la France.
Morphologie, genèse,
dia_qenèse.
- Doctorat
3" cycle, C.E.R.G.H.,
Université de Montpellier
11,275
p.
CNr:.:'ez
F., Pecns J. (1976). - lntroduction à l'analyse des données.
- S.M.A.S.H., Paris.
CevetrrÉ A. (
1964). Observations de spéléogc.nèse.
- Spelunca
Mém., n" 3. pp. 24-3lt.
CHevrlten J. ( I
988). - Hydrodynamique de la zone non saturée d'un aquifère
karstique : étude expérimentale.
Srte du Lamalou, Languetloc.
- Doctorat 3e
cycle, Géologie
(Hydrogéologie),
Université
des Sciences et Techniques du Languedoc, Montpellier, 207
p.
Connrl J.
(1957).
- Les karsts du Nord-Ouest
de I'Europe et de
quelques
régions
de comparaison. Etude sur
le rôle du climat dans l'érosion
des calcaires.
-
Doctorat ès Lettres,
Université de Lyon, -5Jl p.
COST 65 Action (1995). Hydrogeological aspects of groundwater protection in karstic areas.
European Commission, Directorate General. Science,
Research
and
Development.
Brussels.
- Report
EUR 16547 EN,446 p.
CvurcJ.(1918). Hydrographiesouterraineetévolutionmorphologiquedukarst.
RecueildesTravauxde
I'lnstitutdeGéographieAlpinedeGrenobLe,6,
pp. 31 5-429 .
DEINES P., LeNclttrlR D.. HARMoN R.S. (
1 97-l) - Stable carbon isotope ratios and the existence of a gaz phase
in the evolution of carbonate groundwa-
ters.
- Geothim. et Cosnochim. Acra,38. pp. I l,l7-116.1.
DoEnrrtcen N., Zweulr,r F.
(1995).
- EPIK : a new method for the delineation
of protection
areas
in karstic
environment.
- lnternational
Symposium on
karst waters and environmental impacts. Antalya, Turkey, l0-20 sept. 1995.
DowNtxc R.A.. Pntcs M., JoNES G.P (
199i
). Hydrogcology