Variability of the water stock dynamics in karst: insights from surface-to-tunnel geophysics

Abstract

A hydrogeophysical field experiment was conducted on a karst hydrosystem in the south of France to investigate groundwater transfer and storage variability at a scale of a few hundred meters. A 200-m-long N/S tunnel going through limestone provided the unique opportunity to set up measurements with original configurations inside the unsaturated zone. Three geophysical methods were used: gravimetry, electrical, and seismic. Two-dimensional electrical resistivity and seismic velocity images were retrieved by surrounding the medium with electrodes and geophones, both at the surface and inside the tunnel to improve the sensitivity in depth. This gave information about the weathering state but also about the limestone content and associated porosity characteristics, as the methods are sensitive to distinct properties with different resolution patterns. A time-lapse gravity surface-to-tunnel profile supplied information on the seasonal water mass changes and its variations along the tunnel. Besides, tracers were injected on each side of the profile from the surface and the restitution was sampled in the tunnel drip flows. A contrasting hydrological behavior was evidenced on each side of the tunnel from temporal gravity measurements and tracing tests. The analysis of the whole dataset allowed for better interpretation of the imaged structures, with different hydrological functioning. This study demonstrates the variability of the karst behavior at the scale of a few hundred meters and the benefits of a multi-method approach coupling hydrological and geophysical measurements. This kind of experiment provides fundamental understanding of systems that cannot be directly observed.

Résumé

Une expérimentation hydrogéophysique a été réalisée sur un hydrosystème karstique du sud de la France afin d’étudier l’hétérogénéité des stocks et transferts d’eau à l’échelle de la centaine de mètres. Un tunnel de 200 mètres de long traversant un massif calcaire a fourni une opportunité unique de réaliser des mesures à l’intérieur de la zone non saturée du karst. Trois méthodes géophysiques ont été utilisées: gravimétrie, électrique et sismique. Des images en deux dimensions de la résistivité électrique et de la vitesse des ondes sismiques ont été obtenues en plaçant des électrodes et des géophones à la fois à la surface et dans le tunnel, améliorant ainsi la sensibilité des mesures en profondeur. Ces images ont fourni des informations sur l’état d’altération du calcaire mais aussi sur la porosité et son remplissage puisque les méthodes électriques et sismiques sont sensibles à des propriétés distinctes et ont des résolutions différentes. Un profil des différences gravimétriques entre la surface et le tunnel, répété dans le temps, a permis de quantifier les changements saisonniers de masse d’eau et leurs variations le long du tunnel. En complément, des traceurs ont été injectés en surface de chaque côté du profil et leurs restitutions ont été recherchées dans l’eau percolant dans le tunnel. La gravimétrie et les traçages ont mis en évidence des comportements hydrologiques différents de chaque côté du tunnel. L’analyse de cet ensemble unique de données a permis une meilleure interprétation des structures imagées et de leurs fonctionnements hydrologiques. Cette étude démontre la variabilité des comportements karstiques à l’échelle de la centaine de mètres ainsi que les bénéfices d’une approche multi-méthodes couplant mesures hydrologiques et géophysiques. Ce type d’expérimentation participe à la compréhension fondamentale des hydrosystèmes impossibles à observer directement.

Resumen

Se llevó a cabo un experimento hidrogeofísico de campo en un hidrosistema kárstico del sur de Francia para investigar la transferencia de aguas subterráneas y la variabilidad del almacenamiento a una escala de unos cientos de metros. Un túnel N/S de 200 m de longitud que atraviesa una caliza brindó la oportunidad única de realizar mediciones con configuraciones originales dentro de la zona no saturada. Se utilizaron tres métodos geofísicos: gravimetría, eléctrico y sísmico. Se obtuvieron imágenes bidimensionales de resistividad eléctrica y velocidad sísmica rodeando el medio con electrodos y geófonos, tanto en la superficie como en el interior del túnel para mejorar la sensibilidad en profundidad. Esto proporcionó información sobre el estado de meteorización, pero también sobre el contenido de la caliza y las características de porosidad asociadas, ya que los métodos son sensibles a propiedades distintas con patrones de resolución diferentes. Un perfil gravitacional entre la superficie y el túnel, realizado en un lapso, proporcionó información sobre los cambios estacionales de la masa de agua y sus variaciones a lo largo del túnel. Además, se inyectaron trazadores a cada lado del perfil desde la superficie y se muestreó la restitución en los flujos de drenaje del túnel. Se evidenció un comportamiento hidrológico contrastado en cada lado del túnel a partir de las mediciones de gravedad temporal y las pruebas de trazadores. El análisis de todo el conjunto de datos permitió una mejor interpretación de las estructuras fotografiadas, con un funcionamiento hidrológico diferente. Este estudio demuestra la variabilidad del comportamiento kárstico a la escala de unos cientos de metros y los beneficios de un enfoque multimétodo que acopla las mediciones hidrológicas y geofísicas. Este tipo de experimento proporciona una comprensión fundamental de los sistemas que no se pueden observar directamente.

摘要

在法国南部的喀斯特水利系统进行了水文地球物理实验,以研究数百米范围内的地下水运动和储量变化。一条长200米的N/S隧道穿过石灰岩,这为非饱和带原位测量提供了绝好的机会。采用了三种地球物理方法:重力法,电法和地震法。通过在隧道表面和内部用电极和地震检波器包裹介质,可以检索二维电阻率和地震波速度图像,以提高深度的灵敏度。试验给出了风化程度的相关信息,还提供了有关石灰石含量和相关孔隙率特征的信息,因为这些方法对具有不同分辨率模式的不同属性敏感。随时间推移的重力地表到隧道剖面提供了有关季节性水质量变化及其沿隧道变化的信息。此外,在表面剖面两侧都注入了示踪剂,并从隧道滴水中对示踪液进行了采样。通过时间重力测量和示踪试验,证实了隧道两侧相反的水文行为。对整个数据的分析可以更好地解释具有不同水文功能的成像结构。本研究展示了数百米尺度的喀斯特特征变化,以及结合水文和地球物理测量的多方法的好处。这种实验提供了对无法直接观察到的系统的基本了解。

Abstrak

Eksperimen lapangan hidrogeofisika dilakukan pada sistem hidro karst di selatan Prancis untuk menyelidiki transfer dan variabilitas penyimpanan air tanah pada skala ratusan meter. Terowongan utara-selatan sepanjang 200 m melewati batu kapur memberikan kesempatan menarik untuk melakukan pengukuran dengan konfigurasi asli di dalam zona tak jenuh. Tiga metode geofisika digunakan: gravimetri, geolistrik, dan seismik. Gambar resistivitas elektrik dua dimensi dan kecepatan seismik diambil dengan mengelilingi medium dengan elektroda dan geofon, baik di permukaan maupun di dalam terowongan, untuk meningkatkan sensitivitas di kedalaman. Hal ini memberikan informasi tentang kondisi pelapukan dan juga tentang kandungan batu kapur dan karakteristik porositas terkait, karena metode ini peka terhadap properti yang berbeda dengan pola resolusi yang berbeda. Variasi temporal dari profil gravitasi permukaan-ke-terowongan memberikan informasi tentang perubahan massa air musiman dan variasinya di sepanjang terowongan. Selain itu, alat pelacak ditanamkan pada setiap sisi profil dari permukaan dan restitusi diambil sampelnya di aliran tetes terowongan. Perilaku hidrologi yang kontras dibuktikan di setiap sisi terowongan dari pengukuran gravitasi temporal dan uji alat pelacak. Analisis seluruh kumpulan data memungkinkan interpretasi yang lebih baik dari struktur yang dipetakan, dengan fungsi hidrologi yang berbeda. Studi ini mendemonstrasikan variabilitas perilaku karst pada skala ratusan meter dan manfaat dari pendekatan multi-metode yang digabungkan dengan pengukuran hidrologi dan geofisika. Eksperimen semacam ini memberikan pemahaman mendasar tentang sistem yang tidak dapat diamati secara langsung.

Resumo

Um experimento hidrogeofísico de campo foi realizado em um hidrossistema cárstico no sul da França para investigar a transferência de água subterrânea e a variabilidade de armazenamento na escala de algumas centenas de metros. Um túnel 200 m N/S que atravessa um calcário deu a oportunidade única de fazer medições em uma condição original dentro da zona não saturada. Três métodos geofísicos foram usados: gravimetria, elétrico e sísmico. As imagens bidimensionais de resistividade elétrica e velocidade sísmica foram obtidas circundando o meio com eletrodos e geofones, tanto na superfície quanto dentro do túnel para melhorar a sensibilidade em profundidade. Isso forneceu informações não somente sobre o grau de intemperismo, mas também sobre a quantidade de calcário e as características de porosidade associadas a ele, uma vez que os métodos são sensíveis a propriedades distintas com padrões de resolução diferentes. Um perfil gravimétrico em lapso temporal da superfície ao túnel forneceu informações sobre as mudanças sazonais da massa de água e as variações destas ao longo do túnel. Além disso, traçadores foram injetados em cada lado do perfil na superfície, e recuperados a partir dos fluxos de gotejamento dentro do túnel. Foi evidenciado um comportamento hidrológico contrastante a cada lado do túnel a partir de medições de gravimetria temporal e testes de traçadores. Esta análise integrada de dados permitiu uma melhor interpretação das estruturas imageadas, com diferentes funcionamentos hidrológicos. O estudo demonstra a variabilidade do comportamento cárstico na escala de algumas centenas de metros, e os benefícios de uma abordagem multimetológica ao acoplar medições hidrológicas e geofísicas. Esse tipo de experimento fornece uma compreensão fundamental de sistemas que não podem ser observados diretamente.