Simulation of Karst Conduits in the Barrois limestones with KarstNSim
Simulation des conduits karstiques des Calcaires du Barrois avec KarstNSim
Résumé
In this work, we show how, when applied to the Barrois Limestones, the KarstNSim approach allows for stochastic simulation of 3D karst networks. KarstNSim is a pseudo-genetic method, based on a simplified reproduction of the consequences of the physicochemical processes at the origin of karst. It relies on the definition of a cost function across the entire domain. This function is then used to compute least cumulative cost paths between pairs of input and output points of the network, thereby tracing the branches of the karst network skeleton. This approach constrains the network morphology according to speleogenetic concepts, through simple input parameters such as the position of inception horizons, the orientation of fracture sets, the presence and position of one or several water tables, and the intrinsic karstification potential of the geological domain.KarstNSim offers the possibility to reproduce polygenic karsts through sequential simulations, where each iteration influences the next. Thanks to its adaptable cost function, KarstNSim can also account for pre-karstification processes in the geological domain, such as ghost-rock weathering, which then influences the position and geometry of the simulated conduits.The approach is applied to the karstified Barrois plateau, a region located east of the Paris Basin, composed of widely outcropping Tithonian limestones. Karstification there began during an emersion phase and has continued to the present day through different processes: ghost-rock weathering, crypto-alteration, and epigenic karstification beneath cover (Jaillet, 2000). These processes are linked to a progressive lowering of the regional base level associated with the slow exhumation of carbonate formations.KarstNSim makes it possible to simulate karst networks by reconstructing this geological history: integrating a structuring pre-karstification and a progressive base-level lowering that induces conduit tiering. Finally, conduit dimensions are simulated on the skeletons generated by KarstNSim using a curvilinear Sequential Gaussian Simulation approach.
Dans ce travail, nous montrons comment, en l'appliquant aux Calcaires du Barrois, l'approche KarstNSim permet de simuler de manière stochastique des réseaux karstiques 3D. KarstNSim est une méthode pseudo-génétique, dont le principe est la reproduction simplifiée des conséquences des processus physico-chimiques à l'origine du karst. Elle s'appuie sur la définition d'une fonction de coût dans l'ensemble du domaine. Cette fonction est ensuite utilisée pour calculer des chemins de moindre coût cumulé entre paires d'entrée et de sortie du réseau, traçant les branches du squelette du réseau karstique. Cette approche permet de contraindre la morphologie du réseau aux concepts spéléogénétiques associé, grâce à des paramètres d'entrée simples, comme la position d'horizons d'inception, l'orientation de familles de fractures, la présence et la position d'une ou plusieurs nappes phréatiques, et le potentiel de karstification intrinsèque du domaine géologique.KarstNSim offre la possibilité de reproduire des karsts polygéniques par des simulations séquentielles, chaque itération influençant les suivantes. Au travers de sa fonction de coût modulable, KarstNSim peut aussi prendre en compte des processus de pré-karstification du domaine géologique, comme la fantômisation, qui influence alors la position et la géométrie des conduits simulés.L'approche est appliquée au plateau karstifié du Barrois, une région située à l'est du Bassin parisien, constituée de calcaires tithoniens largement affleurants. La karstification y a débuté à la faveur d'une phase d'émersion et s'est poursuivie jusqu'à aujourd'hui sous différentes modalités : fantômisation, crypto-altération et karstification épigène sous couverture (Jaillet, 2000). Ces processus sont en lien avec une baisse progressive du niveau de base régional associé à l'exhumation lente des formations carbonatées.KarstNSim permet de simuler les réseaux karstiques en reconstituant cette histoire géologique : intégration d'une pré-karstification structurante et baisse progressive du niveau de base induisant un étagement des conduits. Enfin, les dimensions des conduits sont simulés sur les squelettes créés par KarstNSim à l'aide d'une approche par Simulation Gaussienne Séquentielle curvilinéaire.