Géosciences

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.