Hydrogeochemical tracing of flows in karst environments : fluorescence of natural organic matter and trace elements. Application to the karstic system of Fontaine de Vaucluse and to its unsaturated zone
Traçage hydrogéochimique des écoulements en milieu karstique : fluorescence de la matière organique naturelle et éléments traces. Application au système karstique de Fontaine de Vaucluse et à sa zone non saturée
Abstract
Water resources are a major issue due to their great vulnerability to global change (climate change,
population growth, changing lifestyles). Groundwater in karst aquifers is an important resource,
accounting for 25% of the world's drinking water supply and 40% in France (Chen et al., 2017).
However, the understanding of the functioning of these aquifers is limited due to their high
heterogeneity. The study of these aquifers thus relies heavily on natural tracing approaches to smooth
out these heterogeneities at the scale of the system under study.
The aim of this thesis is to improve a specific tracer, the fluorescence of organic matter, and to
develop a natural tracer of the types of limestone through which the water flows. Sampling and
analysis performed at a bi-monthly time scale from june 2020 to october 2021 have led to the
constitution of a new data set quantifying natural fluorescence, trace and major chemistry, total
organic carbon of 16 springs and underground flows of the Fontaine de Vaucluse aquifer, as well as
the chemistry of 107 rock samples representative of different types of limestone.
These results allowed (i) to establish a methodological review of the current use of fluorescence
indices and to propose technical and conceptual evolution paths, (ii) to reconstruct the qualitative
relationship between transit time and natural fluorescence, (iii) to highlight the potential of trace
elements as a natural tracer of the types of limestones crossed by the water.
La ressource en eau est un enjeu majeur du fait de sa grande vulnérabilité face aux changements
globaux (changement climatique, augmentation démographique, évolution des modes de vie). Les
eaux souterraines des aquifères karstiques constituent une ressource importante représentant 25% de
l’alimentation en eau potable dans le monde et 40% en France (Chen et al., 2017). Cependant, la
compréhension du fonctionnement de ces aquifères est limitée du fait de leur forte hétérogénéité.
L’étude de ces aquifères repose ainsi largement sur des approches de traçage hydrogéochimique
permettant de lisser ces hétérogénéités à l’échelle du système étudié.
Ces travaux de thèse visent à améliorer l’utilisation d’un traceur spécifique, la fluorescence de la
matière organique naturelle, et développer les éléments en trace comme des indicateurs des chemins
empruntés par l’eau au sein de différentes formations carbonatées. Les prélèvements et analyses
réalisés à un pas de temps bi-mensuel de juin 2020 à octobre 2021 constituent un jeu de données
conséquent et inédit quantifiant fluorescence naturelle, géochimie des éléments majeurs et en trace,
carbone organique total, de 16 sources et écoulements souterrains de l’aquifère de Fontaine de
Vaucluse, ainsi que la géochimie de 107 échantillons de roches représentatifs des différents types de
formations carbonatées de ce système karstique.
Ces résultats ont permis (i) d’établir une critique méthodologique de l’usage actuel des indices de
fluorescence et de proposer des pistes d’évolution techniques et conceptuelles, (ii) de reconstruire la
relation qualitative entre temps de transit et fluorescence naturelle, (iii) de mettre en évidence le
potentiel des éléments en trace comme traceur naturel des types de calcaires traversés par l’eau.
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