Les eaux sou­ter­raines re­pré­sentent l’essentiel des res­sources en eau en mi­lieux cal­caires. Ces res­sources sont sou­vent de bonne qua­li­té et en quan­ti­té suf­fi­sante, mais la dif­fi­cul­té reste leur ac­ces­si­bi­li­té. Lo­ca­li­ser et di­men­sion­ner des ou­vrages de pro­duc­tion d’eau en fonc­tion de l’adéquation entre be­soins et res­sources dis­po­nibles né­ces­site une connais­sance préa­lable du mi­lieu et des in­ves­ti­ga­tions spé­ci­fiques. L’ISSKA ap­porte des so­lu­tions pour la re­cherche, l’exploitation, la ges­tion et la pro­tec­tion des eaux sou­ter­raines en mi­lieu cal­caire.

Le karst joue un rôle par­ti­cu­lier dans la pro­blé­ma­tique des dan­gers na­tu­rels. L’ISSKA a dé­ve­lop­pé des mé­thodes d’investigations pour l’évaluation et la car­to­gra­phie des dan­gers na­tu­rels sui­vants :

Dans les ré­gions kars­tiques, des ef­fon­dre­ments se pro­duisent ré­gu­liè­re­ment. L’étude de ces phé­no­mènes par des cas concrets nous per­met de pré­dire les condi­tions qui conduisent à ces évè­ne­ments. Des cartes de zo­na­tion des risques d’effondrement peuvent donc être pro­duites.

Dans le karst, les écou­le­ments sont es­sen­tiel­le­ment sou­ter­rains donc in­vi­sibles. Il ar­rive ce­pen­dant que la nappe sou­ter­raine at­teigne la sur­face, inonde des en­droits ha­bi­tuel­le­ment secs, et pro­duise des aug­men­ta­tions bru­tales et consé­quentes du dé­bit des ri­vières. Grâce aux mo­dèles dé­ve­lop­pés par l’ISSKA (KARSYS, Karst­MOD), il est pos­sible de pré­voir les inon­da­tions, les dé­bits des ri­vières et de pro­duire des cartes de dan­gers de crues, adap­tées aux spé­ci­fi­ci­tés du karst.

L’ISSKA ac­com­pagne les pro­jets de gé­nie ci­vil en ré­gion kars­tique et pro­pose des so­lu­tions pour pré­ve­nir les pro­blèmes de sta­bi­li­té, de ve­nues d’eau ou d’infiltration des eaux grises.

L’ISSKA est fré­quem­ment man­da­té pour ac­com­pa­gner des pro­jets d’aménagement de sur­face (au­to­routes, parcs éo­liens) ou le per­ce­ment d’ouvrages sou­ter­rains (tun­nels, ga­le­ries, etc.). A tra­vers les ac­ti­vi­tés de re­cherche et dé­ve­lop­pe­ment, l’ISSKA a mis au point des mé­thodes per­met­tant d’identifier et de re­mé­dier aux pro­blèmes que posent les construc­tions en mi­lieu kars­tique. La mé­thode Kars­tA­LEA, fruit d’une col­la­bo­ra­tion avec l’Office Fé­dé­ral des Routes (OFROU) est une illus­tra­tion des mé­thodes pra­tiques dé­ve­lop­pées par l’institut.

L’ISSKA est spé­cia­li­sé dans les tra­vaux de me­sures et de do­cu­men­ta­tion en mi­lieu sou­ter­rain.

L’ISSKA in­ter­vient fré­quem­ment pour l’établissement de mo­dèles sou­ter­rains per­met­tant la com­pré­hen­sion, l’aménagement et l’exploitation des as­pects géo­lo­giques et hy­dro­géo­lo­giques sou­ter­rains. Dif­fé­rents ou­tils peuvent être pro­po­sés pour la lo­ca­li­sa­tion, la to­po­gra­phie ou l’acquisition 3D des vides sou­ter­rains. Les exemples d’application sont nom­breux :

• Di­men­sion­ne­ment d’aménagements sou­ter­rains: in­fra­struc­tures tou­ris­tiques, pose de conduites, etc. ou d’aménagements de sur­face en in­ter­ac­tion avec le sous-sol;
• Pla­ni­fi­ca­tion pour la stra­té­gie d’exploitation de gi­se­ments sou­ter­rains (ex. mines de sel) ou pour l’évaluation des ca­pa­ci­tés de rem­blais;
• Do­cu­men­ta­tion des ou­vrages sou­ter­rains his­to­riques, etc.

L’ISSKA pos­sède aus­si une grande ex­pé­rience en ce qui concerne l’instrumentation de phé­no­mènes en mi­lieux sou­ter­rains, no­tam­ment dans le cadre de sui­vi de la qua­li­té des eaux sou­ter­raines, de la qua­li­té de l’atmosphère sou­ter­raine ou des ébran­le­ments lors de tra­vaux d’aménagement.

Les ré­gions kars­tique sont de plus en plus concer­nées par l’aménagement d’infrastructures pour la pro­duc­tion d’énergies re­nou­ve­lables; prin­ci­pa­le­ment hy­dro­élec­trique, géo­ther­mique et éo­lienne. L’ISSKA ac­com­pagne les maitres d’ouvrages dans les pro­jets de dé­ve­lop­pe­ment des éner­gies re­nou­ve­lables dans ces ré­gions.

Les eaux sou­ter­raines kars­tiques re­pré­sentent un cer­tain po­ten­tiel de pro­duc­tion d’électricité. Cette ex­ploi­ta­tion n’est tou­te­fois pas sans risque pour le mi­lieu et les risques doivent être éva­lués par des spé­cia­listes.
L’ISSKA, au tra­vers d’accompagnements de pro­jets ou d’études d’impact est ac­tif dans ce do­maine. Nous sommes à même de po­ser un diag­nos­tic au ni­veau de l’avant-projet pour voir si ce­lui-ci a des chances d’aboutir et quelles adap­ta­tions se­raient né­ces­saires pour être en ac­cord avec dif­fé­rentes lé­gis­la­tions et ins­truc­tions pra­tiques liées aux pro­jets dans le karst.

L’implantation d’éoliennes en mi­lieux kars­tiques doit faire l’objet d’un ac­com­pa­gne­ment spé­ci­fique sur le plan des im­pacts pour l’environnement et ré­ci­pro­que­ment des risques de sta­bi­li­té pour l’ouvrage.

Les mé­ca­nismes de pro­pa­ga­tion de cha­leur dans le sous-sol kars­tique sont très dif­fé­rents des autres en­vi­ron­ne­ments géo­lo­giques. Les pro­jets d’exploitation né­ces­sitent sou­vent une adap­ta­tion et un ac­com­pa­gne­ment spé­cia­li­sé. L’ISSKA pos­sède des ou­tils et de l’expérience dans ce cadre, et col­la­bore avec le Centre d’hydrogéologie et de géo­ther­mie de l’Université de Neu­châ­tel qui est un centre de com­pé­tence re­con­nu.

Les grottes et le pay­sage kars­tique ré­sultent de la dis­so­lu­tion des cal­caires dans les eaux de pluie. Dans cer­tains cas, la dis­so­lu­tion peut ré­sul­ter d’autres causes (p.ex. des re­mon­tées de gaz pro­fonds). Com­prendre com­ment se forment les grottes pré­sente un in­té­rêt évident pour le spé­léo­logue qui les ex­plore. Ce­pen­dant, la pré­vi­sion de la pré­sence d’un vide sou­ter­rain consti­tue aus­si une in­for­ma­tion im­por­tante pour un in­gé­nieur qui doit construire un tun­nel ou pour un hy­dro­géo­logue qui doit cap­ter de l’eau.

Plu­sieurs mo­dèles nu­mé­riques de spé­léo­ge­nèse ont été dé­ve­lop­pés au cours des 35 der­nières an­nées. Ils nous ont ap­pris énor­mé­ment de choses sur les prin­cipes, les vi­tesses de for­ma­tion et les grandes lignes de la géo­mé­trie des ré­seaux de ga­le­ries sou­ter­raines. Ce­pen­dant, la ca­rac­té­ri­sa­tion des pa­ra­mètres de ter­rain, per­met­tant d’alimenter ces mo­dèles, est com­pa­ra­ti­ve­ment re­la­ti­ve­ment en re­tard. L’ISSKA contri­bue donc par ses re­cherches à four­nir des don­nées de ter­rain, à les re­pré­sen­ter et à les confron­ter aux ré­sul­tats des mo­dèles de si­mu­la­tion.

Les struc­tures kars­tiques ne se dé­ve­loppent clai­re­ment pas de ma­nière aléa­toire. Nous en avons cer­né les ca­rac­té­ris­tiques gé­né­rales, et pou­vons es­quis­ser les zones po­ten­tiel­le­ment les plus kars­ti­fiées. Tou­te­fois, pour gé­né­rer des ré­seaux réa­listes, il reste du tra­vail pour les gé­né­ra­tions fu­tures…

Nos tra­vaux concernent sur­tout :

• La dis­tri­bu­tion spa­tiale des conduits kars­tiques (concept d’horizons d’inception)
• La ge­nèse des ré­seaux kars­tiques dans la zone épi­phréa­tique (loops)
• L’étagement des ré­seaux kars­tiques (phases spé­léo­gé­né­tiques)

Ac­tuel­le­ment ils se concentrent sur­tout sur la pré­vi­sion de la po­si­tion (pro­ba­bi­liste) des conduits et sur leur ca­rac­té­ri­sa­tion (taille, forme, rem­plis­sage, eau, etc.).

Su­jet de pre­mier abord très aca­dé­mique, la com­pré­hen­sion fine du cli­mat sou­ter­rain est im­por­tante pour la ges­tion des grottes ar­chéo­lo­giques, or­nées, tou­ris­tiques ou même pour cer­tains tra­vaux spé­léo­lo­giques. Elle est aus­si im­por­tante pour com­prendre la ther­mique des mas­sifs kars­tiques et par là l’implantation de sondes géo­ther­miques ou pour ex­pli­quer la pré­sence d’une gla­cière na­tu­relle. En­fin, elle est né­ces­saire pour in­ter­pré­ter les va­ria­tions ob­ser­vées dans la crois­sance des sta­lag­mites et pro­duire des re­cons­ti­tu­tions pa­léo­cli­ma­tiques.

Pro­jets ac­tuels:

• Ca­ve­Seds
• Ana­lyse des in­ter­ac­tions entre ven­ti­la­tion, te­neur en CO2 et chi­mie des eaux dans la grotte de Mi­landre
• Sui­vi à long terme de quelques gla­cières na­tu­relles du Ju­ra

Pro­jets pas­sés:

• Ther­mo­karst
• Etude des gla­cières na­tu­relles du Ju­ra
• Ana­lyse du cli­mat de la grotte de Las­caux
• Etude de la ther­mique des mas­sifs kars­tiques
• Eva­lua­tion du po­ten­tiel ther­mique des mas­sifs kars­tiques
• Es­sai de ven­ti­la­tion ar­ti­fi­cielle d’une ca­vi­té kars­tique (Mi­landre)

Iso­lées des pro­ces­sus d’érosion ex­té­rieurs, les grottes pré­servent des sé­quences sé­di­men­taires sur des cen­taines de mil­liers, voire mil­lions d’années. L’étude de ces dé­pôts, qu’il s’agisse de sé­di­ments dé­tri­tiques (i.e. la­mi­nites, ga­lets) ou de spé­léo­thèmes (i.e sta­lag­mites), ap­porte une in­for­ma­tion pré­cieuse sur les chan­ge­ments cli­ma­tiques et en­vi­ron­ne­men­taux au cours du temps. Qu’il s’agisse de cycles gla­ciaires ou de fluc­tua­tions sai­son­nières les sé­di­ments des grottes ren­ferment une in­for­ma­tion pré­cieuse sur notre en­vi­ron­ne­ment pas­sé.
Outre la da­ta­tion de ces sé­di­ments, les études de l’ISSKA portent sur leur si­gna­ture mi­né­ra­lo­gique (cal­cite, ara­go­nite, quartz, …), géo­chi­mique (Mg, Sr, Ba, S, …) et iso­to­pique (d18O, d13C,…) mais éga­le­ment leur conte­nu fau­nis­tique (mi­cro-in­ver­tér­brés, os­se­ments) et bo­ta­nique (pol­lens).

Voir éga­le­ment notre com­pé­tence en ar­chéo­zoo­lo­gie.

Les condi­tions cli­ma­tiques exercent de nom­breuses in­fluences sur le karst. Par­mi celles-ci l’ISSKA éva­lue prin­ci­pa­le­ment l’effet du chan­ge­ment cli­ma­tique sur les élé­ments sui­vants.

• L’infiltration d’eau dans le sous-sol ou re­charge des aqui­fères. Elle In­fluence di­rec­te­ment la quan­ti­té d’eau sou­ter­raine dis­po­nible. Elle ré­sulte d’un équi­libre dé­li­cat entre fac­teurs cli­ma­tiques (pré­ci­pi­ta­tions, tem­pé­ra­ture…) et bio­pé­do­lo­giques (vé­gé­ta­tion et sols).
• La pré­ci­pi­ta­tion de cal­cite dans les sta­lag­mites concerne sur­tout la re­cons­ti­tu­tion pa­léo­cli­ma­tique. Les couches de cal­cite dé­po­sées dans les sta­lag­mites en­re­gistrent les condi­tions cli­ma­tiques ré­gnant au mo­ment de leur dé­pôt, de ma­nière ana­logue aux an­neaux du tronc d’un arbre.
• La dis­so­lu­tion du cal­caire joue un rôle dans le ra­len­tis­se­ment du ré­chauf­fe­ment cli­ma­tique. En ef­fet, il est dé­mon­tré que le ré­chauf­fe­ment cli­ma­tique ac­cen­tue l’activité bio­lo­gique des sols, in­dui­sant une aug­men­ta­tion de la te­neur en CO2 du sol. L’eau qui s’infiltre dans le sol dis­sout par consé­quent plus de CO2, ce qui lui per­met en­suite de dis­soudre plus de cal­caire. Il en ré­sulte que pour chaque mo­lé­cule sup­plé­men­taire de cal­caire dis­sous, une mo­lé­cule a été pré­le­vée dans le sol, donc dans l’atmosphère ter­restre. Ce pré­lè­ve­ment de CO2 pour­rait ex­pli­quer une par­tie im­por­tante de ce que les spé­cia­listes nomment le « car­bon sink », c’est-à-dire le fait que le CO2 at­mo­sphé­rique aug­mente moins vite que les es­ti­ma­tions des mo­dèles.