Faculté des sciences

Process based modeling of the karstification processes in the region of Tulum, Mexico

Maqueda, Axayacatl ; Renard, Philippe (Dir.)

Thèse de doctorat : Université de Neuchâtel, 2017.

Caves are important since they are preferential paths for groundwater flow. Knowledge of caves or karst is essential for proper management of water resources, but the exploration of caves is a major challenge. An alternative to study caves and their structure is to simulate the processes related to cave growth. The motivation of this thesis is to study large karst networks in the region of... More

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    Résumé
    Les grottes sont importantes car elles constituent des voies préférentielles pour l’écoulement des eaux souterraines. La connaissance des grottes ou du karst est essentielle pour une bonne gestion des ressources en eau, mais l’exploration des grottes est un défi majeur. Une alternative pour étudier les grottes et leur structure est de simuler les processus liés è la croissance des grottes. La motivation de cette thèse est d’étudier de grands réseaux karstiques dans la région de Tulum, au Mexique. L’objectif de l’étude est de comprendre comment et pourquoi les systèmes de grotte ont été formés dans cette région.
    La première étape consistait à examiner les informations disponibles sur la zone d’étude. Pendant le travail sur le terrain d’étude, nous avons observé la propagation de la marée dans le réseau karst. Cette observation conduit à se demander quel serait l’effet de l’échange d’eau induite par les marées entre les grottes et le calcaire environnant. Un modèle conceptuel et un modèle numérique ont été développés pour quantifier la dissolution dans ces conditions. Les résultats montrent que l’échange d’eau peut conduire à une dissolution minérale importante, ou à la croissance des grottes. Ce processus de dissolution s’ajoute à la dissolution qui se produit à la surface de la paroi de la grotte, donc la superposition du processus de dissolution peut expliquer le taux de croissance rapide des grottes nécessaire pour expliquer les grands réseaux karstiques dans la région.
    En plus, un cadre de modèle numérique a été développé pour simuler le développement de fractures dans des réseaux de conduites. La simulation du développement de réseaux synthétiques peut donner une idée du développement de grottes réelles.
    Summary
    Caves are important since they are preferential paths for groundwater flow. Knowledge of caves or karst is essential for proper management of water resources, but the exploration of caves is a major challenge. An alternative to study caves and their structure is to simulate the processes related to cave growth. The motivation of this thesis is to study large karst networks in the region of Tulum, Mexico. The objective of the study is to understand how and why the cave systems formed in this region.
    The first step was to do a review of the information available on the study area. During field work in the study area we observed the propagation of the sea tidal wave into the karst network. This observation lead to question what would be the effect of tidal induced water exchange between caves and surrounding limestone. A conceptual model and a numerical model were developed to quantify dissolution in these conditions. Results show that water exchange can lead to significant mineral dissolution, or cave growth. This dissolution process is additional to dissolution occurring at cave wall surface, therefore the superposition of both dissolution process may explain the fast paced cave growth rate needed to explain the large karst networks in the area.
    Additionally, a numerical model framework was developed to simulate the development of fractures into conduit networks. The simulation of development of synthetic networks can provide insight on the development of real caves.