Description du sujet de thèse

Contexte scientifique :
Les risques de détérioration du patrimoine culturel à cause du changement climatique anthropique sont importants (Richards et al. 2020 ; Huntley et al. 2021). S'il est évident que l'art rupestre en plein air est directement impacté par la modification des conditions environnementales et notamment par une augmentation de la fréquence d'événements météorologiques extrêmes, les grottes ornées, situées dans le système karstique, ne sont pas pour autant épargnées. Ainsi, le suivi environnemental actuel de grottes ornées peu profondes (moins de 40 m de profondeur) a révélé (i) une augmentation générale des températures souterraines qui peut être significativement accentuée, jusqu'à +1,3°C par décennie, par un changement de l'aérologie interne de la grotte (Bourges et al. 2021) ; (ii) une augmentation des niveaux de CO2 dans l'atmosphère ambiante de la grotte qui peut sérieusement limiter l'accès à la grotte. Cette augmentation des températures souterraines reflète une augmentation de la conduction thermique depuis la surface, augmentation qui peut être reliée au réchauffement global de l'atmosphère (Badino, 2004 ; Dominguez-Villar et al. 2015). L'augmentation du taux de CO2, quant à elle, peut être liée à différents facteurs environnementaux tels qu'un changement de la végétation en surface, une augmentation de la température du sol favorisant la dégradation de la matière organique, et/ou un déficit d'infiltration d'eau, un assèchement partiel de l'espace poral facilitant le transfert vers la grotte du CO2 produit dans le sol (Pla et al. 2016 ; Mattey et al. 2016 ; Bourges et al. 2020). Tous ces facteurs environnementaux sont sous le contrôle du changement climatique actuel.
Les peintures et gravures rupestres sont généralement situées à une interface roche/couche d'eau mince/atmosphère qui doit rester la plus constante possible pour limiter leur détérioration. Les différences de température dans les grottes entre les zones les moins profondes, qui subissent le réchauffement climatique actuel, et les zones les plus profondes, génèrent des modifications importantes de l'aérologie dans la grotte qui peuvent conduire à une détérioration irrémédiable du patrimoine rupestre (Lacanette et al. 2009). C'est ce qui est observé dans la grotte de Gargas, située dans les Pyrénées, où les variations de teneur en humidité de l'air entraînent la précipitation de carbonates sur les parois et l'apparition saisonnière de taches blanches sur certaines peintures. Un risque supplémentaire est la propagation rapide de micro-organismes pouvant provoquer d'importantes détériorations dans les grottes ornées (Leplat et al. 2020).

Objectifs de la thèse :
Au vu des effets du changement climatique global déjà enregistrés dans de nombreuses grottes ornées, la stratégie actuelle de conservation du patrimoine culturel qui consiste à maintenir un microclimat souterrain stable n'est plus suffisante. Le projet DECACLIM, financé pour 4 ans par l'ANR (de 2023 à 2026), a pour but de proposer une nouvelle stratégie de conservation, en s'appuyant à la fois sur des approches expérimentales (système de surveillance installé dans les grottes) et sur la modélisation. Le sujet de thèse s'inscrit dans le volet modélisation de ce projet ANR.
L'objectif du travail est d'étudier et de comprendre le rôle du système naturel sol/épikarst/karst qui surplombe les grottes ornées sur les conditions de préservations des peintures et gravures rupestres. Pour cela, le travail consistera à modéliser le transfert de chaleur et de fluides (eau, CO2) à travers ce milieu fracturé. Cette modélisation sera réalisée dans un premier temps avec un forçage météorologique actuel puis différents scénarios de changement climatique seront envisagés pour simuler leur impact sur le devenir du milieu naturel.
Ces modélisations serviront ensuite à alimenter un autre travail de thèse consistant à modéliser l'aérologie à l'intérieur des grottes et le microclimat qui en résulte. L'ensemble des résultats permettront d'identifier les points de basculements physiques au-delà desquels la conservation du patrimoine d'art rupestre est en danger.

Méthode :
Site d'étude :
Le site d'étude retenu est la grotte de Gargas, située à Aventignan dans les Pyrénées et soumise à des conditions climatiques océaniques. Il s'agit d'une grotte peu profonde, d'environ 250 m de long, avec deux entrées et un système de fermeture entre ses deux galeries principales pour éviter les « effets cheminée » lors des visites. Des vestiges archéologiques ont été datés du Gravettien dans la galerie inférieure (Foucher et al. 2012). La température air/paroi est suivie à trois endroits différents dans la grotte de Gargas depuis 2005, à un pas de temps de15 mn. Depuis janvier 2016, trois évaporimètres de Piche ont été installés à proximité des capteurs de température et un scan 3D du site de Gargas a récemment été réalisé.
Scénarios de changement climatique sur le site d'étude :
Différents scénarios de changement climatique seront proposés à l'échelle du site d'étude. Les méthodes de régionalisation statistique et de correction de biais développées au LSCE dans le cadre du programme CORDEX (https://cordex.org) fourniront les évolutions futures de la température, des précipitations et de l'évapotranspiration potentielle à l'échelle régionale (résolution spatiale de quelques km) dans la zone de la grotte de Gargas. Deux scénarios climatiques seront considérés : le scénario RCP 4.5, qui est le plus probable dans les années à venir, et le RCP 8.5, qui correspond au scénario le plus pessimiste. Ces scénarios fourniront les forçages hydrologiques et thermiques pour la modélisation des transferts de chaleur et de fluides dans le réseau karstique.
Caractérisation géométrique du système karstique :
Une description géométrique appropriée de l'épikarst et des couches karstiques est un pré-requis pour une modélisation pertinente des transferts de chaleur et de fluides. Cette caractérisation sera réalisée par le laboratoire GeoRessources qui nous fournira la géométrie 3D des réseaux de fractures du système karstique situé à l'aplomb de la grotte de Gargas (Collon et al., 2017, ; Bonneau et al., 2021) .
Modélisation des transferts de chaleur et de fluides de la surface vers la grotte :
Le transfert d'eau, le transport de CO2 et la propagation des ondes thermiques de la surface vers la grotte à travers le système sol/épikarst/karst seront modélisés à l'aide du code Cast3M (http://www-cast3m.cea.fr) ou d'un autre outil numérique à définir. Puisque ces processus hydrologiques et thermiques sont essentiellement verticaux, la géométrie de la zone recouvrant la grotte sera modélisée avec une section verticale 2D dont les caractéristiques géométriques (topographie de la surface du sol, limite du fond) seront déduites d'un balayage laser 3D déjà effectué et des données acquises dans la grotte. Différentes stratégies de modélisation seront envisagées en fonction des caractéristiques du réseau de fractures : une approche discrète (prise en compte explicite de la géométrie du réseau de fractures), ou une approche continue (fractures et blocs de matrices représentés par un milieu poreux équivalent de porosité simple ou double), une combinaison de ces deux approches (Fracture Continuum Voxel Approach) (Fourno et al. 2013), ou d'autres approches à définir (Viswanathan et al., 2022). La teneur en eau, la concentration en CO2 et la température à la frontière inférieure du domaine karstique, seront ensuite utilisées comme signaux de forçage pour la modélisation de l'aérologie de la grotte dans le cadre d'une autre thèse financée par le projet ANR et réalisée au Laboratoire Energies et Mécanique Théorique et Appliquée (LEMTA, Université de Lorraine) .

Résultats attendus :
Ce travail de thèse permettra de développer et de tester une approche numérique pour modéliser les transferts de chaleur et de fluides dans le milieu fracturé qui surplombe la grotte de Gargas et leurs modifications suite au changement climatique. Cette démarche pourra ensuite être envisagée pour l'étude du devenir d'autres grottes ornées.

Références bibliographiques :
Badino, G. (2004). Cave temperatures and global climatic change. International Journal of Speleology 33: 103-113. https://digitalcommons.usf.edu/ijs/vol33/iss1/10
Bonneau, F. and Stoyan, D. (2021). Fracture Networks: Second-order Characterization from Oman and Hornelen outcrops, in: 2021 RING Meeting, ASGA
Bourges, F., Genty, D., Perrier, F. et al. (2020). Hydrogeological control on carbon dioxide input into the atmosphere of the Chauvet-Pont d'Arc cave. Science of The Total Environment 716, 136844, https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2020.136844
Bourges, F. et al. (2021). Suivi environnemental des grottes ornées paléolithiques d'Occitanie en 2020. Drac Occitanie
Collon, P., Bernasconi, D., Vuilleumier, C., Renard, P. (2017). Statistical metrics for the characterization of karst network geometry and topology. Geomorphology 283 :122-142. https://doi.org/10.1016/j.geomorph.2017.01.034
Domínguez-Villar, D., Lojen, S., Krklec, K. et al. (2015). Is global warming affecting cave temperatures? Experimental and model data from a paradigmatic case study. Clim Dyn 45, 569–581. https://doi.org/10.1007/s00382-014-2226-1
Foucher et al. (2012) Bull. Soc Prehistorique Ariège-Pyrénées, 209-225.
Fourno, A., Grenier, C., Benabderrahmane, A., Delay, F. (2013). A continuum voxel approach to model flow in 3D fault networks: A new way to obtain up-scaled hydraulic conductivity tensors of grid cells. Journal of Hydrology 493, 68-80, https://doi.org/10.1016/j.jhydrol.2013.04.010
Huntley, J., Aubert, M., Oktaviana, A.A. et al. (2021). The effects of climate change on the Pleistocene rock art of Sulawesi. Sci Rep 11, 9833. https://doi.org/10.1038/s41598-021-87923-3
Lacanette, D., Vincent, S., Sarthou, A., Malaurent, P., Caltagirone, J.-P. (2009). An Eulerian/Lagrangian method for the numerical simulation of incompressible convection flows interacting with complex obstacles: Application to the natural convection in the Lascaux cave. International Journal of Heat and Mass Transfer 52, Issues 11–12, 2528-2542, https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2008.12.028
Leplat, J., François, A., Touron, S. et al. (2020). Aerobiological behavior of Paleolithic rock art sites in Dordogne (France): a comparative study in protected sites ranging from rock shelters to caves, with and without public access. Aerobiologia 36, 355–374. https://doi.org/10.1007/s10453-020-09637-9
Mattey, D.P., Atkinson, T.C., Barker, J.A., Fisher, R., Latin, J.-P., Durrell, R., Ainsworth, M. (2016). Carbon dioxide, ground air and carbon cycling in Gibraltar karst. Geochimica et Cosmochimica Acta 184 :88-113, https://doi.org/10.1016/j.gca.2016.01.041
Pla, C., Cuezva, S., Garcia-Anton, E., Fernandez-Cortes, A., Cañaveras, J.C. , Benavente, S. (2016). Changes in the CO2 dynamics in near-surface cavities under a future warming scenario: Factors and evidence from the field and experimental findings. Science of The Total Environment 565 :1151-1164, https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2016.05.160.
Richards, J., Bailey, R., Mayaud, J. et al. (2020). Deterioration risk of dryland earthen heritage sites facing future climatic uncertainty. Sci Rep 10, 16419. https://doi.org/10.1038/s41598-020-73456-8
Viswanathan, H. S., Ajo-Franklin, J.,Birkholzer, J. T., Carey, J. W., Guglielmi, Y., Hyman, J. D., et al. (2022). From fluid flow to coupled processes in fractured rock: Recent advances and new frontiers. Reviews of Geophysics 60, e2021RG000744. https://doi.org/10.1029/2021RG000744

Contexte de travail

Le travail de thèse se déroulera principalement au Laboratoire des Sciences du Climat et de l'Environnement (Université Paris-Saclay). Il sera financé par le projet ANR DECACLIM porté par Bruno Lartiges du GET et bénéficiera ainsi d'un bon environnement matériel et de l'expertise scientifique de tous les participants au projet. Il est notamment prévu de travailler avec Pauline Collon du laboratoire GeoRessources (Université de Lorraine) pour la modélisation géométrique du réseau karstique. Mais de nombreuses autres collaborations pourront être envisagées, comme par exemple avec André Fourno, expert de l'IFPEN en modélisation des milieux fracturés.

Contraintes et risques

Le candidat ou la candidate aura de solides compétences en mécanique des fluides appliquée à l'environnement (hydrologie, hydrogéologie, transport, thermique) et un goût prononcé pour la modélisation et la simulation numérique de milieux naturels. Il ou elle saura s'adapter aux différents outils numériques proposés et aura la motivation nécessaire pour interagir avec des personnes de spécialités différentes. Les noms et les coordonnées de 3 personnes pouvant recommander le candidat sont demandés.