Grottes et cavernes, secrets et mythes - 29/04/2007

Pour la chimie de la calcite et du calcaire voir ce dossier

Pour se faire une idée sommaire des processus qui permettent la formation des grottes dont nous allons parler au chapitre suivant il faut s'arrêter un instant au phénomène karstique lui-même.

Le système karstique provient d'une structuration spatiale et temporelle d'un ensemble de vides creusés au détriment de discontinuités dans une masse rocheuse grâce à une dissipation d'énergie (QUINIF Y. 1998).

Gouffre

La dissipation d'énergie résulte de la transformation de 3 types d'énergie.

La transformation de l'énergie chimique est la dissolution la roche avec production d'ions Ca⁺⁺, Mg⁺⁺, HCO3-… et de solides : argiles, grains divers. L'intensité de la transformation dépend de la concentration de CO₂ et d'autres acides. La transformation de l'énergie potentielle comprend l'évacuation des produits ainsi qu'une production de chaleur par la viscosité du liquide soumises à 2 paramètres : différence d'altitude entre l'entrée et la sortie et débit d'eau.

Enfin, l'énergie mécanique cause la fracturation du massif, et la surrection du massif (si elle a lieu) accroît l'énergie potentielle, il faut de l'altitude pour un karst ! L'ensemble des discontinuités permet le transit des eaux par voie souterraine : joints, fentes de tension, diaclases, failles. Seules certaines discontinuités sont karstifiées à cause de l'anisotropie des contraintes qui s'exercent sur le massif. Thermodynamiquement, le système est ouvert et l'entropie du système décroît au cours du temps.

Causses - Cévènnes

Légende de ce schéma (d'après JC Bousquet1996):
Rose : granite carbonifère 285 Ma
Vert pâle : schistes et micaschistes des Cévennes
Bleu clair quadrillé : roches marines du Jurassique
Jaune : Oligocène

1 - L'érosion par dissolution

L'altération chimique joue un grand rôle car elle est à la base du départ de matière hors du système (FORD D. & WILLIAMS P. 1989). Le départ de matière par action mécanique est mineur et n'agit que si la karstification est assez développée pour permettre une circulation torrentielle de l'eau au sein du système.

Les zones où affleure le calcaire ont une morphologie si particulière que l'on peut les identifier directement sur une carte : réseau hydrographique lâche, cours d'eau assez importants au fond de canions, les sources sont souvent grosses, les cours d'eau disparaissent brusquement, la surface est désordonnée, les dépressions sont irrégulières et souvent fermées. Un autre aspect est important même s'il n'est pas visible directement sur la carte c'est le nombre de gouffres et de conduits souterrains. Ce paysage est tellement typique qu'il a ses propres noms : leisines dans le Jura, causses dans le Languedoc, karst en ex-Yougoslavie…

Outre les innombrables diaclases et fissures du calcaire qui donnent à la roche une « perméabilité de fissures » il y a les phénomènes de dissolution (corrosion du calcaire).

L'eau pure ne peut renfermer que 15 mg de calcaire par litre, c'est très peu et le calcaire est considéré comme peu soluble en chimie ! Mais si la pluie acquiert du CO₂ en traversant l'atmosphère, elle peut dissoudre jusqu'à 60 à 80 mg de calcaire, cette concentration étant très inférieure à celle des sources qui dépasse souvent 200 mg. Ceci signifie que l'eau s'enrichit en gaz carbonique dans le sol dont l'atmosphère peut contenir jusqu'à 10% de CO₂ à cause de l'activité biologique ! N'oublions pas non plus que le CO₂ est plus soluble dans l'eau froide.

Les réactions sont lentes, le système n'est donc jamais en équilibre chimique et les cas de sursaturation sont fréquents. Les facteurs de la corrosion sont : le climat de préférence pluvieux tempéré froid (Jura !), la fissuration de la roche, la présence de sol, l'érosion biologique (racines). Et un site calcaire est rarement dépourvu de sol. Ces phénomènes, apparemment lents, quand on essaie de quantifier les choses donne des chiffres ahurissants. Des géochimistes ont fait « les comptes » pour le Jura et estiment que l'abaissement de la chaîne de montagne, dû à la karstification, est de 500 m depuis son érection ! soit 0,1 mm/an en ablation totale et 0,5 mm/an en ablation superficielle.

La cryptoaltération est l'altération de la roche au contact d'une autre formation perméable non karstifiable de couverture. Ce processus se produit généralement lorsqu'une formation sableuse repose sur le substratum karstifiable. La disparition de matière par dissolution du carbonate entraîne un enfouissement progressif de la couverture non karstifiable avec formation de morphologies de type marais. Il n'y a pas de vide résultant de ce processus.

Schéma de cryptodoline

Une sédimentation continentale particulière voit l'apparition de tourbe ou lignite. Une géochimie particulière en est une conséquence importante, où la silice et l'alumine peuvent être solubilisés dans des milieux à pH très faibles avec des néogenèses de type halloysite, phosphates, oxydes et hydroxydes complexes d'aluminium et de fer. Ces cryptokarsts peuvent renfermer d'importants gisements de fer …

Carte des tourbières de Franche-Comté

La fantômisation est l'altération isovolumique. La roche est devenue non cohérente, très poreuse, par disparition d'éléments solubles et conservation in situ des éléments moins solubles. Les vides souterrains résultants sont des pores et non des conduits. La fantômisation se déroule à partir de la surface per descensum. Plus bas, ces structures se prolongent sous la forme de galeries colmatées. Mais ici, le colmatage est le résidu in situ de l'altération car cette structure n'a jamais été vide.

2 - La morphologie karstique

Les lapiez sont des rainures de dissolution tracées sur les surfaces calcaires. Peu profondes elles forment des rigoles, plus profondes des crevasses

Lapiez

Les dolines constituent un des traits les plus caractéristiques du paysage calcaire. Ce sont des dépressions fermées des milieux karstiques, dans lesquelles le calcaire a été dissous par l'eau de pluie, provoquant l'affaissement du sous-sol sur des dimensions pouvant atteindre plusieurs centaines de mètres en extension et plusieurs mètres en profondeur. Les argiles de décarbonatation s'y accumulent, produisant des sols riches qui sont quelquefois les seuls cultivables à la surface des causses (ces sols, souvent acides, ont fréquemment été plantés en seigle, d'où leur nom régional de ségalas). Entonnoirs, elles sont souvent le départ de galeries et de circuits souterrains. La dissolution des versants élargit l'entonnoir et le fond rocheux a tendance à s'approfondir.

Doline

Un certain remblayage se fait par les matériaux de déblais des parois qui contribue à combler le fond de la doline et parfois à le rendre étanche. Si la doline continue de se creuser on peut avoir formation d'un gouffre. C'est une des formes très efficaces de la karstification.

Schéma doline-réseau

Doline étanche avec un lac (dans un karst africain

La coalescence de plusieurs dolines forme un ouvala. Les ouvalas sont des creux peu étendus irréguliers et percés de dolines. Un ouvala est souvent une suite de dolines de diamètres différents comme l'ouvala de la Perrausaz creusé dans une voûte anticlinale. Un exemple français : l'ouvala du Champ de Quercy (la Couvertoirade).

Schéma de l'ouvala de la Perrausaz

Les bassins fermés synclinaux ou poljés synclinaux sont des vallées structurales fermées à leurs extrémités avec un réseau hydrographique autonome dont le trop-plein s'écoule par une perte.

Vallée de Joux

Les poljés se rencontrent surtout dans les Balkans, dépressions à fond plat et versants raides et sinueux. Les rivières de sources vauclusiennes les parcourent, y provoquent souvent des inondations et se perdent ensuite. Un exemple français : le grand poljé de la Vacquerie-Saint Maurice (Larzac)

Poljé Obraslo

Combe du Jura

Combe du Lac près des Rousses
Légende : Le Lac est une doline étanche, remarquer sa forme circulaire

Le karst se manifeste aussi dans les calcaires dolomitiques comme par exemple le sotch de Robert (sotch est un terme synonyme de doline): un effondrement massif dû à la dissolution profonde des calcaires dolomitiques, un autre exemple est celui des monts Ottavi en Namibie dont nous reparlerons plus loin.

Sotch (doline) de Robert

La karstification existe aussi dans les gypses et le gypse est plus soluble que le calcaire ce qui peut avoir des incidences sur la stabilité du sol qui doit être surveillée de près. Les eaux contenant du gypse sont aussi très agressives pour le ciment ordinaire et dans ces régions il vaut mieux utiliser des ciments spéciaux !

Pyramides de gypse de la Tour, Massif des Diablerets (CH)

Il apparaît ainsi que la karstification d'un massif peut suivre plusieurs voies et affecter un paysage de façon très différente. Seuls les "vrais karsts" sont exploitables en spéléologie, les autres formes de karst ne se dévoilent que géologiquement.