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Formation des grottes : karst et érosion karstique

Dossier - Grottes et cavernes, les secrets des profondeurs
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Les grottes fascinent par leur beauté et leur mystère. En calcaire, de grès ou sous-glaciaires, elles peuvent prendre différentes formes. Ces cavités abritent souvent la vie et ont même longtemps été l'abri privilégié de l'Homme. Plongez dans les profondeurs secrètes de la terre, à la découverte des grottes et cavernes.

  
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Le karst est le nom de la structure formée par l'érosion hydrochimique et hydraulique des roches. Principalement observée sur les roches friables comme le calcaire, l'érosion karstique permet de mieux comprendre le processus de formation de certaines grottes.

Le système karstique provient en effet 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).

La dissipation de certaines énergies entraîne la formation de gouffres dans la roche. © DR

Cette dissipation d'énergie résulte de la transformation de trois types d'énergie :

  • La transformation de l'énergie chimique. Elle 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 mécanique. Elle 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.
Les Causses et les Cévennes, dans le massif central ont subi une érosion karstique. Sur ce schéma, on peut distinguer : le granite carbonifère datant de 285 Ma (en rose), les schistes et micaschistes des Cévennes (en vert pâle), les roches marines du Jurassique (en bleu clair quadrillé) et l'oligocène (en jaune). © J.C. Bousquet 1996, DR

L'érosion par dissolution du calcaire

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 (constitué principalement de calcite) 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.

Une sursaturation en calcaire

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 (comme dans le Jura), la fissuration de la roche, la présence de sol, l'érosion biologique (racines). Ces phénomènes, apparemment lents, quand on essaie de quantifier les choses donne des chiffres ahurissants. Des géochimistes ont étudié la géologie du 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.

Dans le Jura, la chaîne de montagne s'est abaissée de 500 m à cause de la karstification. © Benoît Deniaud, Flickr, CC by-nc-sa 2.0

La cryopto-altération de la roche

La crypto-altération 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 © DR

Une sédimentation continentale particulière voit l'apparition de tourbe ou lignite formant les tourbières. 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 © DR

La fantômisation, de son côté, 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.

Retrouvez en page 12 de ce dossier, plus d'informations sur les différentes formations karstiques comme les lapiaz, les dolines et l'ouvala.