Monitoring Gravimétrique

Quantification des variations des masses d’eaux souterraines par mesures continues de la pesanteur

Nous désirons mesurer en continu les variations du stock en eau, à des périodes allant de quelques minutes à quelques mois. La précision doit atteindre l’équivalent d’un mm d’eau, ce qui équivaut à 0.4 nm/s² (ou 4 centièmes de milliardième de g, soit 0.04 10-9 g ou 0.04 µGal). A grande échelle, la gravimétrie spatiale permet de quantifier au µGal près les variations des stocks d’eau pour des bassins de taille continentale; cependant, une telle précision est toujours limitée aux longueurs d’onde supérieures à 500 km et le taux d’échantillonnage n’est que de dix jours. Au sol, les gravimètres absolus présentent un niveau de bruit de l’o’dre de 105 (nm/s²)²/Hz, ce qui signifie qu’ils sont en mesure de détecter des variations de la pesanteur de l’ordre du µGal (ou 10 nm/s²) en 20 minutes.

En raison d’usure mécanique, les gravimètre absolus ne sont pas adaptés à des mesures continues pendant plus de quelques jours. A Rochefort, comme l’instrument a dû mesurer en continu pendant plusieurs semaines, ce qui est inhabituel, le pas d’échantillonnage a été porté de 60 à 270 minutes. Ceci a limité fortement la résolution des mesures, tant en amplitude que dans le temps. Cependant, un gravimètre à supraconductivité (SG) est capable de mesurer bien davantage, avec une précision de 5 (nm/s²)²/Hz, ce qui correspond à 0.2 nm/s² (ou 0.02 µGal) à la période de 100 s. Le principe du SG consiste en une sphère qui lévite dans le champ magnétique généré par deux bobinages supraconducteurs. L’instrument mesure en continu et présente un niveau de bruit bien inférieur (au moins -20 dB) à celui des gravimètres à ressort conventionnels. Sa dérive, également très faible (inférieure à 3 µGal par an), est estimée par les mesures épisodiques du gravimètre absolu.

GWR-iGrav superconducting gravimeter
Le gravimètre à supraconductivité iGrav de la firme GWR (document GWR instruments inc.)

La grotte de Rochefort revêt un intérêt particulier: la rivière Lomme est canalisée, ce qui la découple partiellement du système karstique, sauf en cas de crue. Dans ce cas, la rivière passe au-dessus de la digue et provoque des montées brutales du niveau de l’aquifère. Ceci peut s’observer dans différentes conditions de saturation, par exemple après de longues pluies d’hiver ou après un orage d’été qui peut causer des débordement même en l’absence de précipitation au-dessus des grottes. Ainsi, les mesures continues des variations de pesanteur nous permettront d’étudier la dynamique du karst dans différentes échelles de temps, depuis l’inondation éclair aux échelles saisonnières et pluriannuelles.

Rochefort cave location
La grotte de Rochefort est située sous la rive gauche de la Lomme et fait partie d’une de ses coupures de méandre The situation map shows also the Pré au Tonneau and Nou Maulin swallow holes, and the vauclusian spring of Eprave (picture G. Michel (CWEPSS).

Les mesures procurent des informations précieuses sur les masses d’eau sous l’instrument, mais ne sont pas en état de donner la distribution spatiale des quantités en fonction de la profondeur. Afin d’améliorer la connaissance de cette distribution, des mesurer relatives de la pesanteur seront répétées dans la grotte et en surface. La combinaison de ces mesures gravimétriques avec des données de forage et d’autres observations hydrologiques et géophysiques devrait nous permettre de séparer les variations des stocks d’eau dans l’épikarst et la zone d’infiltration au-dessus de la grotte des changements des quantités d’eau dans les zones épiphréatique et phréatique sous la grotte. Nous prévoyons aussi de mesurer en continu les variations de la pesanteur dans la grotte à l’aide d’un gravimètre à ressort gPhone, prêté par l’université de Luxembourg.

Lhomme flooding the cave through the Nou Maulin swallow hole, 2014-07-10
La Lomme canalisée déborde et inonde le Nou Maulin, 2014-07-10. Voir aussi ici et ici pour le Nou complètement inondé.

Comme 90% de l’effet gravifique provient d’une zone de rayon égale à 5 fois la distance qui sépare les gravimètres de surface et de la grotte, cela signifie que 90% du signal provident d’un cylindre de 200 m de rayon au site de Lorette.

Mesures de pesanteur dansle Larzac et à Rochefort

Des mesures absolues de la pesanteur ont été effectuées dans le laboratoire de surface pendant 4 hivers. Lorsque la Lomme inonde la grotte, cela cause des variations brutales de la charge hydraulique dans la grotte qui peuvent atteindre 13 mètres de la pesanteur. Parallèlement, la pesanteur augmente jusqu’à 12 µGal. On peut en conclure que pendant cette inondation-éclair, les pores et les fissures étaient faiblement connectés aux fractures, grottes et conduits, ou tout au moins, que la porosité est relativement faible. Dans le cas contraire une augmentation plus forte de la pesanteur aurait dû être observée. Ces mesures n’étaient pas continues, ce qui n’a pas permis de mesurer la réponse du système karstique en fonction de son degré de saturation.

Parallèlement, des mesures de pesanteur sont également en cours depuis juin 2006 sur le plateau du Larzac. Ces mesures effectuées par l’université de Montpellier ont mis en évidence des variations de stocks d’eau à l’échelle saisonnière et pluriannuelle. Les mesures répétées de la pesanteur ont permis de quantifier l’importance de l’épikarst pour le stockage d’eau et les grandes variations des masses d’eau dans le Larzac. Les systèmes karstiques du Larzac et de Rochefort, sont très différents: le Larzac est dix fois plus étendu et caractérisé par une infiltration importante dans l’épikarst, alors qu’à rochefort, les entrées d’eau sont plus localisées, comme illustré par le Nou Maulin.

measurement on the ground surface above the Rochefort cave
Niveau de la Lomme à Rochefort (bleu), hauteur d’eau dans la grotte (vert), etmesures absolues de la pesanteur (points noirs). Pour améliorer la lisibilité, la valeur de 981 011 438 µGal a été retirée.

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