Impact of alteration corridors on karst reservoir organisation and evolution of groundwater flow path: An example from the southern border of the Larzac Causse, southern France

Impact des couloirs d’altérations sur l’organisation des réservoirs karstique et l’évolution des chemins de circulation d’eau souterraine: Un exemple de la bordure sud du causse du Larzac, sud de la France

¹ Cenote, 1 chemin de Valdegour, 30900 Nîmes, France
² Géosciences Montpellier, Université de Montpellier–CNRS, Montpellier, France

^* Corresponding author: celine.baral@cenote.fr

Received: 24 October 2023
Accepted: 18 December 2023

Abstract

All the features of karstic reservoirs result from the chemical and/or mechanical erosion of an initial rock volume, which modifies the initial petrophysical properties (i.e., porosity and permeability). The spatial distribution and organisation of the karst system in a carbonate massif are often overlooked in studies on karst hydrological functioning. However, these parameters are key to understand and accurately model dynamic flow. This contribution aims at characterising the nature and impact of alteration corridors on the organisation and evolution of the karstic reservoir and its present-day functioning. We focus on characterising the specific impact of the late onset of pocket valley regressive erosion on the organisation of the present-day drainage system. We used a 3D approach to correlate field observations on the surface and in caves, with remote sensing. The expression of alteration corridors is analysed in a 40 km² area on the southern border of the Larzac Causse. This Jurassic carbonate massif is affected over its entire thickness by a network of vertically elongated alteration corridors containing dissolution-collapse breccia, mainly oriented in a N-S direction. Ghost-rock karstification played a significant part in the karstic reservoir structure and evolution. Alteration corridors result from the in-situ dissolution of the bedrock along an initial jointing pattern. The dissolution-collapse breccia corridors correspond to ghost-rock corridors selectively emptied of their alterite, under the effect of a hydraulic gradient. The vertically elongated structure of alteration corridors that cross-cut the Jurassic sequence enables fluid circulation from an upper to a lower aquifer, which were initially separated by a Toarcian marly seal unit. The subsequent initiation of pocket valleys led to the rapid evacuation of the residual alterite contained in ghost-rock corridors, under the influence of gravity. These alteration corridors determine the position of present-day pocket valley springs and enhance the regressive erosion dynamics, that progressively capture a north-east flowing watershed (Vis River). Finally, residual alterites are evacuated below the overflow spring altitude during high-flow events by flooding/dewatering of galleries. Such mechanisms of alterite evacuation provide insight into i) the part of the karstic reservoir that is connected to the spring, and ii) the dynamics of the associated flows. This study suggests that corridor networks constitute a substantial volume of porous and permeable materials that plays a major role in the present-day groundwater flow path. Such features should be considered valuable drilling targets for water exploration when located below the piezometric level.

Résumé

Le réservoir karstique est constitué de l’ensemble des discontinuités résultant de l’altération chimique et/ou mécanique d’un volume de roche initial qui conduisent à la modification de ses propriétés pétrophysiques initiales (porosité, perméabilité). Les études sur le fonctionnement hydrologique des systèmes karstiques ne prennent pas souvent en compte la géométrie et la distribution spatiale de ce dernier. Or, ces paramètres sont clés pour la compréhension et la modélisation cohérente des dynamiques de drainage en profondeur. Cette étude vise à caractériser le développement, la nature et l’impact des couloirs d’altérations sur la structuration du réservoir karstique et son fonctionnement actuel. Cette étude caractérise l’impact spécifique de la mise en place tardive des reculées karstiques sur l’organisation du système de drainage actuel. Nous utilisons une approche 3D permettant de corréler les observations de terrain, en surface et dans les réseaux spéléologiques, avec les données de télédétection. L’expression des couloirs d’altération est analysée dans une zone de 40 km² sur la bordure sud du causse du Larzac. Le massif carbonaté Jurassique est affecté sur toute son épaisseur par un maillage de couloirs d’altération verticaux contenant des brèches de dissolution-effondrement, principalement orientés N-S. Le processus de karstification par fantômisation est identifié comme jouant un rôle majeur dans la géométrie et l’évolution du réservoir karstique. Les couloirs d’altérations résultent de la dissolution in-situ de l’encaissant le long d’un maillage de fractures préexistantes. Les couloirs de dissolution-effondrement correspondent à des couloirs de fantômes débourrés de manière sélective sous l’effet d’un gradient hydraulique. Leur géométrie verticale permet la circulation de fluide entre les aquifères supérieur et inférieur, initialement séparés par l’imperméable marneux du Toarcien. L’initiation et le développement des reculées karstiques en bordure de plateau provoque l’évacuation rapide des altérites résiduelles contenues dans les couloirs d’altération, sous l’effet d’un écoulement gravitaire. Les couloirs d’altération contrôlent la position des sources karstiques actuelles, et favorisent la dynamique d’érosion régressive des reculées qui capturent progressivement le bassin d’alimentation voisin drainé vers le NE (canyon de la Vis). Enfin, les altérites résiduelles sont évacuées sous le niveau de la source de trop plein par un mécanisme de mise en charge dans la zone épinoyée. Ces différents mécanismes d’évacuation renseignent sur la partie du réservoir sollicitée par une source ainsi que sur la dynamique de circulation associée. Cette étude montre que les réseaux de couloirs constituent un volume considérable de matériel poreux et perméable qui jouent un rôle important dans les circulations d’eau souterraines actuelles. Ces structures devraient être considérées comme des cibles intéressantes pour l’exploration d’eau souterraine.