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ThermoKarst

Les cavi­tés sou­ter­raines consti­tuent un éco­sys­tème fra­gile dans lequel les pro­ces­sus bio­géo­chi­miques dépendent for­te­ment de la tem­pé­ra­ture. Elles abritent éga­le­ment des traces uniques de leur envi­ron­ne­ment pas­sé dont l’interprétation dépend étroi­te­ment de la tem­pé­ra­ture.

Au cours des der­nières années, beau­coup d’études ont por­té sur les spé­léo­thèmes, for­ma­tions car­bo­na­tées secon­daires telles que sta­lag­mites et cou­lées sta­lag­mi­tiques, en rai­son de leur capa­ci­té à archi­ver des infor­ma­tions paléoen­vi­ron­ne­men­tales que l’on peut dater avec pré­ci­sion, sur les der­niers 0.5 Ma envi­ron. Plu­sieurs méca­nismes, dont la dif­fu­sion ther­mique dans l’encaissant rocheux et l’advection par l’eau et l’air, trans­fèrent de la cha­leur de la sur­face exté­rieure vers la cavi­té. En fonc­tion de l’importance rela­tive de ces dif­fé­rents flux, la tem­pé­ra­ture sou­ter­raine sera plus ou moins atté­nuée et dépha­sée en réponse aux varia­tions tem­po­relles de la tem­pé­ra­ture exté­rieure.

Bien com­prendre la réponse ther­mique du karst au chan­ge­ment cli­ma­tique est donc fon­da­men­tal pour quan­ti­fier les taux de dissolution/précipitation et inter­pré­ter les varia­tions géo­chi­miques obser­vées dans les concré­tions, et pour éva­luer les impacts sur les orga­nismes vivants dans les grottes.


A par­tir de la lit­té­ra­ture, nous avons for­mu­lé trois hypo­thèses que nous cher­che­rons à vali­der dans le pro­jet :
  1. La ven­ti­la­tion des mas­sifs kars­tiques repré­sente un méca­nisme domi­nant pour le trans­fert de cha­leur

  2. Le temps de réac­tion des mas­sifs et des grottes dépend prin­ci­pa­le­ment des flux advec­tifs (eau et air), plus que de la conduc­tion de cha­leur dans la roche

  3. Les échanges ther­miques sont suf­fi­sants pour pro­duire une quan­ti­té signi­fi­ca­tive d’eau de conden­sa­tion pour rechar­ger les sys­tèmes kars­tiques, au-moins dans cer­taines condi­tions.

L’objectif du pro­jet est d’effectuer une ana­lyse appro­fon­die des trans­ferts de masse et de cha­leur dans les sys­tèmes kars­tiques pour répondre à ces ques­tions. En par­ti­cu­lier nous sou­hai­tons carac­té­ri­ser les consé­quences d’un chan­ge­ment cli­ma­tique sur le milieu sou­ter­rain et déter­mi­ner la réponse ther­mique d’une cavi­té à dif­fé­rentes échelles spa­tiales et tem­po­relles. Nous déve­lop­pe­rons un modèle glo­bal sim­pli­fié des mas­sifs kars­tiques consti­tué de plu­sieurs sous-sys­tèmes (roche, conduit, épi­karst…). Les trans­ferts de cha­leur par conduc­tion et advec­tion (eau et air) dans la roche et les conduits seront entiè­re­ment cou­plés. Cepen­dant, les effets de la ven­ti­la­tion natu­relle des grottes, et de l’épikarst ne sont actuel­le­ment pas bien quan­ti­fiés, ren­dant leur modé­li­sa­tion hasar­deuse. Des mesures de ter­rain seront donc menées paral­lè­le­ment aux simu­la­tions.

Pour atteindre cet objec­tif, le pro­jet s’appuie sur deux équipes aux com­pé­tences com­plé­men­taires, l’une spé­cia­liste du moni­to­ring et de la concep­tua­li­sa­tion des sys­tèmes kars­tiques (ISSKA), l’autre des trans­ferts de cha­leur et de masse (FAST). Ces deux volets seront donc trai­tés en paral­lèle. Au début, une étude para­mé­trique (modèle ini­tial) sera menée avec des modèles ana­ly­tiques sim­pli­fiés afin d’estimer la magni­tude des pro­ces­sus res­pec­tifs sous dif­fé­rentes condi­tions. Ceci per­met­tra de pré­ci­ser le conte­nu du pre­mier modèle numé­rique (volet 1) et de l’acquisition des don­nées sur le ter­rain (volet 2). Les deux volets seront syn­thé­ti­sés ité­ra­ti­ve­ment tout au long du pro­gramme de recherche, ce qui per­met­tra de dis­cu­ter les trois hypo­thèses à la fin. Deux sites prin­ci­paux seront ins­tru­men­tés incluant le labo­ra­toire sou­ter­rain de Milandre où de nom­breuses don­nées sont déjà dis­po­nibles. Les sites seront moni­to­rés en tem­pé­ra­ture ain­si que pour les prin­ci­paux para­mètres contrô­lant le trans­fert de masse : flux d’air et d’eau en uti­li­sant des mesures directes (débits) et indi­rectes (CO2 et radon).

Une équipe de deux doc­to­rants est pré­vue pour déployer le moni­to­ring sur le ter­rain et déve­lop­per les com­pé­tence et outils de simu­la­tion néces­saires au pro­jet. Les cher­cheurs expé­ri­men­tés de l’ISSKA et du FAST sou­tien­dront acti­ve­ment les doc­to­rants pour éta­blir les pro­cé­dures, déve­lop­per les com­pé­tences et prendre les déci­sions néces­saires à résoudre les défis qui se pré­sen­te­ront.

Ce pro­jet appor­te­ra incon­tes­ta­ble­ment des infor­ma­tions nou­velles sur la réponse des mas­sifs kars­tiques aux chan­ge­ments cli­ma­tiques, sur la ven­ti­la­tion des mas­sifs et sur l’importance de la conden­sa­tion pour la recharge des aqui­fères.

Les résul­tats du pro­jet appor­te­ront aus­si des don­nées essen­tielles pour d’autres domaines : l’alimentation en eau potable (varia­tions de tem­pé­ra­ture des sources kars­tiques), san­té publique (radon exha­lé dans les habi­ta­tions), la spé­léo­ge­nèse (cor­ro­sion par conden­sa­tion), le per­ma­frost (gla­cières natu­relles), la géo­ther­mie basse tem­pé­ra­ture (effet des conduits sur les échanges ther­miques), le per­ce­ment de tun­nels et de mines (pré­dic­tion de vides et d’intrusions mas­sives d’eau), la télé­dé­tec­tion (inter­pré­ta­tion d’anomalies ther­miques), la conser­va­tion des grottes (pro­tec­tion des grottes archéo­lo­giques et tou­ris­tiques), le cycle du car­bone (la dis­so­lu­tion et la pré­ci­pi­ta­tion des car­bo­nates sont contrô­lées par la pCO2, donc par la ven­ti­la­tion), la bio­lo­gie sou­ter­raine (bio­topes sou­ter­rains)…

Les résul­tats de ce pro­jet devien­dront une étape-clé dans la com­pré­hen­sion des trans­ferts de cha­leur dans les roches car­bo­na­tées.

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PIs

Pierre-Yves Jean­nin (ISSKA), Fré­dé­ric Dou­menc (Sor­bonne), Marc Luet­scher (ISSKA).

Publications

Seda­ghat­kish A., Dou­menc F., Jean­nin PY., Luet­scher M., 2024. Mode­ling the effect of free convec­tion on per­ma­frost mel­ting rates in fro­zen rock-clefts. The Cryos­phere, 18, 4547–4565, doi.org/10.5194/tc-18–4547-2024

Pas­tore C., Seda­ghat­kish A., Schmid N., Weber E., Luet­scher M., 2024. Moni­to­ring air fluxes in caves using digi­tal flow meters. Inter­na­tio­nal Jour­nal of Spe­leo­lo­gy, 53, 63–73. doi.org/10.5038/1827–806X.53.1.2500

Seda­ghat­kish A., Pas­tore C., Dou­menc F., Jean­nin PY., Luet­scher M., 2024. Model­ling heat trans­fer for asses­sing the convec­tion length in ven­ti­la­ted caves. Jour­nal of Geo­phy­si­cal Research : Earth Sur­face, 129, e2024JF007646. doi.org/10.1029/2024JF007646

Pas­tore C., Weber E., Dou­menc F., Jean­nin PY., Luet­scher M., 2024. Dis­per­sion of arti­fi­cial tra­cers in ven­ti­la­ted caves. Inter­na­tio­nal Jour­nal of Spe­leo­lo­gy, 53(1), 51–62. doi.org/10.5038/1827–806X.53.1.2497

Gara­gnon J., Luet­scher M., Weber E., 2022. Ven­ti­la­tion regime in a kars­tic sys­tem (Milandre Cave, Swit­zer­land). Kars­to­lo­gia Mémoires, 23, 187–19

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