Three steps are necessary to obtain the digital treatments of the fractures.

2.1 Definition of fractures types

This first step is based on the identification of two fracture types: (i)`old fractures’ the so-called ‘geological fractures’ linked to the local structural context (filled by red clay as ‘internal sediments’); (ii) ‘recent fractures’ mechanic fractures linked to the quarries exploitation. Stratiform karsts are geological fractures widened by the dissolution and placed as the stratification of limestone. Transverse karsts are placed perpendicular to the limestone stratification. Fig. 2 gives the relationship between different fracture types.

2.2 Acquisition and pre-treatment

2.3 Spatial distribution and geometrical parameters

It allows us to measure different geometrical parameters of each fracture, such as: length, opening, direction, orientation, density, frequency and the spatial distribution (Figs. 3 and 4). The spatial distribution is defined by the compactness C_i (m⁻¹), given by the relationship

$$C_i=\frac{1}{{\overline{e}}_i}$$

where ${\overline{e}}_i$ is the average space. Three compactness classes are defined thanks to the histogram of the class distribution: class 1, with strong compactness, class 2, with medium compactness, class 3, with weak compactness. From these classes, we can map out the isocompactness of the fractures. The results are brought up in the form of the compactness map of the fractures and the analytic database of geometrical parameters taken from compactness maps. The connexity of a given fracture i would be equal to the number of fractures i,j,k,l,…,n to which this fracture is secant (Fig. 4). The connexity would be equal to 0 if the fracture were isolated.

Fracturing networks of Thau and Maison-Franche belong to the same structural system (Table 2, Figs. 5A–5C). Class 2 (N131–134°) includes many karsts. It shows that fractures of this class serve as drainage channel during the post-Oligocene emersion of the limestone. In low fractures compactness area, the fracture average length is the most important. The passage from areas of strong compactness fractures to areas of weak compactness fractures in most cases corresponds to a progressive decrease in the apparent average length of the fractures. The geological fractures influence strongly the orientation of the mechanical ones. The comparison between the density maps of secant and non-secant fractures allows noticing that the secant fractures are essentially situated in the strong compactness areas of non-secant fractures. The most common value of the connexity is equal to 2. Furthermore, it never goes higher than 3.

L'étude quantitative de la fracturation offre un double intérêt pour la modélisation d'une part, de la stabilité des ouvrages souterrains, avec leurs conséquences sur la sécurité des biens et des personnes et, d'autre part, de l'écoulement dans un massif rocheux induit par la fracturation, avec leurs conséquences sur la diagenèse et les propriétés pétrophysiques.

La méthode mise en œuvre comprend trois étapes : la connaissance du contexte géologique, le relevé topographique des carrières souterraines, l'analyse géométrique in situ et le traitement numérique cartographique et statistique des données. Cette recherche s'inscrit dans un contexte scientifique en plein développement : celui de la modélisation des propriétés géotechniques et réservoirs des roches. Actuellement, la modélisation de l'état de fracturation d'un massif est fondée sur deux approches. La première est la représentation synthétique d'un réseau de fractures intégrant un ou plusieurs caractères géométriques [4,7]. Cette représentation synthétique est simplifiée. La deuxième est l'analyse quantitative des caractères géométriques en utilisant des méthodes de traitement numérique d'image [3,5,8].

Trois carrières souterraines de la Gironde ont été choisies : les carrières de Thau et de Maison-Franche, situées dans la commune de Gauriac, et de Saint-Germain-La-Rivière, localisée dans la commune du même nom. Les anciennes carrières souterraines en Gironde sont localisées principalement dans l'Entre-Deux-Mers et sur la rive droite de la Dordogne (Fig. 1). Plus de 2000 hectares de carrières souterraines sont répartis dans plus de 113 communes de la Gironde. Elles ont été ouvertes dans le calcaire à Astéries de l'Oligocène supérieur (Stampien) du bassin d'Aquitaine, dénommé « pierre de Bordeaux ». Il s'est formé durant la transgression de l'Oligocène supérieur I (≈32 Ma) au sein d'un système sédimentaire de plate-forme. La fracturation est liée aux principales structures de déformation souple et cassante des terrains tertiaires et de direction, armoricaine et varisque [1,9] (Fig. 1). Les accidents de direction armoricaine NW–SE sont bien développés dans la région (faille de la Gironde). Le Tableau 1 présente les caractéristiques géométriques et géotechniques des trois carrières souterraines.

La définition de la typologie des fractures analysées est basée sur deux notions : (i) les fractures anciennes dites « géologiques » (colmatées par des sédiments internes) et (ii) les fractures récentes dites « mécaniques », postérieures à l'ouverture des carrières liées à l'exploitation des carrières (Fig. 2). Les karsts stratiformes sont des fractures géologiques élargies par la dissolution et disposées parallèlement à la stratification du calcaire. Les karsts transverses se développent transversalement par rapport à la stratification. La Fig. 2 présente les différentes relations existant entre ces différentes typologies.

Sur le terrain, la position, la longueur apparente et la direction sont relevées sur un plan topographique au $1:200$^e. Les fractures analysées sont toutes verticales. Représentée par un segment de droite S (x₁,y₁ et x₂,y₂), chaque fracture est définie par les coordonnées de son barycentre g (x_g,y_g). Pour passer à un système de coordonnées géoréférencées, les données subissent trois transformations : translation, changement d'échelle et rotation, en utilisant au moins trois points amers (Fig. 3). La résolution des transformations obtenues lors du traitement est de ±0,1 m. La représentativité des fractures analysées est vérifiée par le coefficient R_s, donné par la relation suivante [6] :

Différents paramètres géométriques ont été calculés, tels la longueur apparente et la direction α d'une fracture (Figs. 3 et 4). Les familles de fractures ont été définies selon leur direction par la méthode de l'estimation de la densité de « fenêtre mobile » [10]. En faisant varier la taille de la fenêtre (m), on s'assure de la stabilité des familles de fractures observées et on détecte les familles secondaires incluses dans les familles principales (Fig. 5A). La densité surfacique D_si est exprimée en nombre N_i de fractures de la famille i, observées par rapport à l'unité de surface [2]. La fréquence des fractures F_i est définie par le rapport du nombre de fractures de la famille i sur le nombre total des fractures [2]. L'écartement moyen entre deux fractures est la distance entre leur barycentre [2]. La distribution spatiale est définie à partir de la notion de compacité des fractures C_i (m⁻¹), donnée par la relation :

Étant donné une fracture i, sa connexité est égale aux nombres de fractures i,j,k,l,…,n auxquelles elle est sécante (Fig. 4). La connexité est égale à 0 si la fracture i est isolée. La connexité est supérieure ou égale à 1 si la fracture i est sécante à une ou plusieurs fractures. Un algorithme est implémenté pour détecter la connexité des fractures et leur répartition dans l'espace.