Ecole Française de Spéléologie - Stage Initiateur/Perfectionnement - Lot 2003

Exposé "karstologie régionale" par Dominique Jean

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"Karstification"

(relatif au karst, terme désignant les aspects caractéristiques des reliefs calcaires)

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Cet exposé devrait permettre aux spéléologues d’avoir une idée générale de la constitution du globe terrestre, de son évolution et des phénomènes qui régissent la dissolution du calcaire.  

 

La structure de la Terre : le noyau, le manteau, l’écorce terrestre.

  • Le noyau : du centre de la terre à 2900 km de la surface.
  • Le manteau : de 2900 km (discontinuité de Gutenberg) au contact de l’écorce. C’est le siège de mouvements de convections des roches a l’état liquide qui provoquent des séismes, des intrusions dans l’écorce (volcan) mais aussi la dérive des continents.
  • L’écorce terrestre : c’est le sol sur lequel on marche et dans lequel on pénètre mais c’est aussi le fond des océans. L’écorce est composée de 3 parties :    

- la couche basaltique (écorce océanique)

- la couche granitique (écorce continentale)  

- la couche sédimentaire superficielle.

La croûte terrestre soumise à un modelage perpétuel (mouvements du manteau). Les actions endogènes créatrices du relief : on parle d’orogenèse (montagnes) et volcanisme. Les action exogènes destructrice du relief : l'érosion par les agents atmosphériques (pluie, gel...). La terre a environ 4,5 milliards d’années ; les roches les plus vieilles 3,5 milliards.

Les temps géologiques : les géologues ont déterminés 4 ères géologiques :

  • le primaire de –570 à –225 millions d'années environ
  • le secondaire de –225 à –65 MA environ
  • le tertiaire de –65 à –2 MA environ
  • le quaternaire de –2 MA à nos jours.

Sédimentation, reliefs calcaires

 Le cycle sédimentaire : 4 phases

  • Altération des roches mères (roches éruptives, roches métamorphiques) : matériel détritique solide (fragment, de roche) et substances en solution dans l’eau.
  • Transport par action mécanique et action chimique jusqu'à la mer.
  •  Dépôt (sédimentation lacustre ou marine)
  •  Compression (diagenèse). La compression des couches inférieures par le poids des couches supérieures a pour effet de transformer la boue sédimentaire en roche par expulsion de l’eau, réduction des vides, de la porosité, dégagement de chaleur.

Le calcaire se dépose en strates (lithologie) suivant les époques géologiques.

L’interruption entre les strates est appelée "joint de strate" et correspond à un arrêt du dépôt carbonaté.

Les roches sédimentaires sont une accumulation de sédiments déposé en milieu marin ou terrestre. Habituellement les couches les plus anciennes sont dessous (il peut parfois y avoir une inversion en fonction de l’orogenèse appliquée au massif). Trois sortes de roches sédimentaires :

  • les roches détritiques/clastiques constituées de particules solides : les conglomérats, les grès, les argiles.
  • les roches chimiques constituées de particules en solutions dans l’eau : les roches siliceuses (non détritiques) et les évaporites (gypse, sel gemme).
  •  les roches organogènes constituées d’organismes végétaux ou animaux, c'est la majorité des roches calcaires et dolomitiques.

Les calcaires et les dolomies peuvent être plus ou moins purs. Ils peuvent contenir de l’argile, du sable. Les dolomies plus ou moins riches en sable sont appelées dolomies gréseuses ou grès dolomitiques. On parlera de marne lorsque la teneur en argile est comprise entre 35 et 65% (au dessus : calcaire argileux/marneux, au dessous : argile calcareuse ou marne argileuse).

Le calcaire, caractéristiques :

Calcaire marin : la nature du sédiment varie avec les conditions du milieu : température, agitation des eaux, éclairement (photosynthèse)… Il en découlera des roches plus ou moins compactes, plus ou moins solubles. Les organismes vivants participant à la formation des calcaires :

- les coraux, grande construction calcaire

- les algues qui activent la formation en consommant le gaz carbonique (photosynthèse)

- les organismes a coquille calcaire : gastéropodes, oursins…

Les calcaires continentaux : dépôt de boue calcaire dans des lacs

Description des roches carbonatées :

La taille des cristaux : qui a une importance pour la dissolution, suivant la porosité du calcaire :

- calcaire lithographique : doux au toucher, à la cassure conchoïdale (comme le verre)

- calcaire sublitographique : très fin, avec des cristaux visibles à la loupe

- calcaire cristallin : qui ont l’aspect du grés, cristaux visibles à l’œil

- calcaire graveleux  

- les dolomies : qui ont une texture saccharoïde (idem sucre roux), odeur fétide lors de la cassure (résidus organiques inclus à la sédimentation)

Les éléments constitutifs : débris organiques, débris de coquilles.

- les calcaires oolithiques : petites perles de 0.5 à quelques mm (petit noyau enroulé de couches concentriques de calcite, milieu agité

- les calcaires à pisolithes (ou oncolithes) : idem oolithique mais avec des tailles de 5 à 20 mm

- les calcaires bioclastiques : à nombreux débris organiques

- les calcaires coquilliers (ou lumachelles) : formé de véritables accumulations de coquilles

- les calcaires à entroques : constitués en grande partie de débris de crinoïde, d’échinodermes (animaux marins)

La lithologie : elle a des conséquences importantes sur le passage de l’eau : les bancs massifs ne laisseront passer l’eau que par des diaclases, les bancs fin auront en plus une perméabilité liée aux joint de strates (mais souvent plus riches en particules insolubles : colmatage des fentes)

Propriétés des calcaires :

La résistance mécanique :  cette résistance lui permet de former de très larges voûte (et de planter des chevilles !)

La solubilité : le débit d’eau a son importance mais aussi la taille des cristaux (plus ils sont gros plus la mise en solution sera lente)

La teneur en résidus insolubles : dès qu’ils sont trop abondants ils obstruent les fissures et ralentissent la karstification (calcaire marneux = peu de cavités avec grand développement)

Le calcaire est une roche compacte et imperméable (qui ne laisse pas passer l’eau s'il n'est pas fissuré).

La tectonique :

Si le massif est soumis à des mouvements tectoniques il se produit des plissements : anticlinal / synclinal (le synclinal sera plus propice au creusement que l’anticlinal),

ou des fractures : diaclase / faille. Ces cassures sont propices à l’infiltration de l’eau.

Cette infiltration d’eau additionné de CO2 atmosphérique / sol dissout le calcaire et entame le processus de creusement mais cette dissolution a aussi un effet sur le paysage :

les vallées entament le karst. Les falaises en bordure de vallée sont victimes d’un phénomène de détente (l’appel au vide)

 Les réseaux karstiques : la circulation de l’eau, le creusement des vides.

Nous avons vu que le calcaire est une roche imperméable si aucune fissuration ne permet à l’eau de s’infiltrer, mais il est quand même soluble à l’eau. La pluie, la neige constituent un arrosage corrosif qui entame le processus de creusement par dissolution.

- 1 litre d’eau pure à 25° dissout environ 15 milligrammes de calcaire

- 1 litre d’eau chargée de CO2 atmosphérique (0,03%) dissout environ 70 à 80 milligrammes de calcaire (+ l’eau est froide, + elle peut contenir de CO2)

Un paramètre qui a son importance c’est la teneur en CO2 du sol (5% et +) produit par la respiration des végétaux, la décomposition des végétaux, des animaux (si la couche sédimentaire est recouverte d’un sol, la dissolution sera plus active).

Nous avons vu aussi que les mouvements tectoniques déformaient les couches calcaires et que le résultat (diaclase / faille) était propice au passage de l’eau vers les couches inférieures.

Karstification : il faut 3 conditions !

  1. Un réseaux de fissures par lequel l’eau pourra aller de l’infiltration à la source.
  2. Un solvant chimique capable d’ouvrir et d’agrandir un réseau de conduits.
  3. Une force motrice capable d’entretenir la circulation.

Les fissures. La déformation du massif provoque une fracturation. Le réseau est interconnecté de la zone d’absorption vers l’exutoire. Sans cette condition le fluide ne peut s’infiltrer et circuler : donc pas de réseau karstique.

L’alimentation en eau est assurée par les précipitations qui tombent dans le périmètre de l’impluvium (secteur géographique de collecte des précipitations et de drainage souterrain). Par soucis de clarté on ne prendra que le périmètre géographique comme impluvium mais celui ci peut être différent à cause du drainage souterrain.

Le solvant chimique. L’eau froide a le pouvoir de dissoudre plus de CO2 que l’eau tiède : donc elle est plus agressive. Mais c’est dans les zone tempérées / tropicales que la dissolution est la plus forte : végétation plus développée donc plus de production de dioxyde de carbone (CO2).

Il faut aussi tenir compte de la production des acides organiques libérés par les plantes (acide humique…) qui viennent augmenter l’agressivité de l’eau.

La force motrice, c’est le dénivelé entre la zone d’absorption (zone de fissures, de diaclases, de failles, de pertes, de puits) et l’exutoire (émergence) : la charge hydraulique due en grande partie à la gravité est le moteur.

Les niveaux karstiques

 Le niveau de base :  Ce niveau correspond au niveau des cours d’eau qui coulent dans les vallées : c’est le niveau des source (émergences).

Plusieurs hypothèses :

  • le cours d’eau aérien coule sur le niveau étanche ou ce niveau (peu ou pas karstifiable) est situé au dessus de la vallée. Il en résulte un karst perché à aquifère libre

  • Si le cours d’eau aérien coule au sein de l’aquifère il en résulte un karst noyé  à aquifère libre (les plus courants dans le Lot)
  • Si la vallée n’a pas encore entaillé l’aquifère et qu’elle se développe dans la formation imperméable qui constitue le toit de se dernier il s’agira d’un karst noyé à aquifère noyé (domaine des plongeurs)

La zone d’absorption ou épikarst : deux catégories

  1. Zone d’infiltration généralisé : petites fissures, lapiaz… Cette zone peut être nue ou couverte d’un sol :

Si il y a un sol l’érosion sera plus active en surface (donc moins active en profondeur : saturation), les fissures se colmatent et ralentissent l’infiltration.  De plus les racines disloquent le lapiaz, ce qui favorise le colmatage.

     2. Zone d’absorption localisée : pertes, avens, lapiaz, diaclases… Ici la dissolution sera plus active dans la zone de transfert vertical qu’en surface

La zone de transfert vertical : non saturée / à écoulement libre /zone vadose.

Elle assure le transit de l’écoulement de surface vers les profondeurs. L’écoulement sera lent ou rapide suivant que la transmissivité verticale est faite d’un réseau de fissures ou de puits, diaclases et méandres. Cette zone est aussi appelée espace du temps figé parce que de nombreuses galeries ou puits ne sont plus parcourus par l’eau, donc l’érosion est minimale voire arrêtée (appelé semi actif ou fossile).

Les conduits sont encombrés de dépôts (concrétionnement) et d’éboulements (détente).

Au bas de cette zone, suivant les apports de l’infiltration il existe un espace d’inondation temporaire (mise en charge) c’est le niveau des émergences.

Cette zone d’équilibre du système karstique (haute et basse eaux) est très importante : c’est la zone des grandes galeries horizontales (appelée actif).

La zone d’écoulement horizontal et d’émergences / karst noyé.

L’écoulement horizontal et d’émergences est le plus souvent conditionnée par une couche imperméable (souvent marnes, calcaire marneux / d’autre roches non karstique : grés, schiste…) d’épaisseur suffisante pour empêcher la continuité du creusement en profondeur. C’est souvent la zone des siphons. Dans ce réseau noyé se trouve des galeries à écoulement libre ou noyé. L’évolution de leur profil sera différente.

  • En écoulement libre la circulation du fluide est souvent lente (galerie horizontale) ce qui permet le dépôt d’alluvion qui tend à obstruer la galerie (remontée du niveau de base).

La corrosion se fait vers le haut : chenal de voûte dans l’axe du flux, ou lapiaz de voûte, plus ramifié.  Ce phénomène et souvent induit par l’élévation du niveau de base… On parlera ici de galerie paragénétique .

  • En écoulement noyé la corrosion se fait sur toute la surface de la galerie, il en résulte des galeries à paroi lisse dites "conduites forcées" (cylindrique, ovale, laminoir d’inter strate).Absence de dépôt alluvial (sauf en cas de ralentissement d’écoulement) mais pas de dépôt chimique (stalactite, stalagmite, plancher…)

 Les Paléo-karsts, formes héritées

Il faut savoir que des réseaux très anciens ont existé et que pour beaucoup ils n’existent plus victimes de l’érosion. Cette dernière a eu pour effet aussi le comblement des réseaux existants.

Les formes karstiques

Les formes karstiques de surface :

Le temps, l’érosion ont une action sur la surface du karst. Cette usure du calcaire se traduit par des formes typiques dans le paysage…

  • des ablations de relief

Stratification tronquée

Galerie tronquée

  • Des dissolutions de surface

Méga doline

Dolines

  • Des formes héritées

Vallée "sèche"

Sources vauclusiennes

 Le creusement des vides souterrains :

 De la surface vers les profondeurs on peut trouver plusieurs creusements typiques :

  • Les puits

  • Les galeries

  • Les formes de détail

Banquette

Méandre

Micro-gours

Vagues d'érosion

Lapiaz et chenal de voûte

Le comblement des vides souterrains :

Les cavités finissent par se combler, par éboulements, remplissages autochtones :

- remplissages allochtones

Lexique

Ablation : stratification tronquée sur la partie haute par l’érosion

Actions endogènes : mouvements qui créent les reliefs

Action exogènes : érosion

Allochtone : originaire d’ailleurs. En géologie se dit d’un terrain ayant subi un important déplacement horizontal

Aquifère : qui contient l’eau

Autochtone : originaire de sur place. En géologie se dit d’un terrain qui n’a pas subi de déplacement latéral

Banquette : épaulement ou balconnet généralement horizontal courant le long des parois de galerie / méandre / canyon paragénétique

Bassin versant : unité géographique qui désigne le bassin d’alimentation collectant les eaux de ruissellement

Biogène : formé par la désagrégation des organismes marins (récif de coraux)

Calcaires oolithiques : calcaire avec petites perles de 0.5 à quelques mm (petit noyau enroulé de couches concentriques de calcite, milieu agité)

Chenal de voûte : se dit du surcreusement au plafond, dans l’axe du flux, dans une galerie paragénétique

Comblement par détente : se dit de blocs tombés quand les volumes souterrain atteignent leur profil d’équilibre

Conduite forcée : se dit d’une galerie creusée en régime noyé, paroi lisse

Conglomérat : dépôt détritique dont les fragments sont supérieur à 2 mm liés par un ciment de nature variable (siliceux, carbonaté, ferrugineux…)

Coups de gouge : petits creux régulier sur les parois creusés par un écoulement turbulent

Coupole : creux en plafond de galerie, dans l’axe du courant, formés par dissolution chimique (poche à CO2)

Cycle sédimentaire : ensemble des processus aboutissant à la formation des sédiments

Détritique : formation sédimentaire résultant de la désagrégation mécanique des roches préexistantes

Diaclase : cassure sans déplacement relatif des strates

Diagenèse : modification de la texture et de la composition des sédiments

Doline : dépression circulaire, ovale ou dissymétrique se formant à partir de diaclase capable d’absorber les résidus de dissolutions

Dolomie : carbonate double de calcium et de magnésium

Eboulis calcite : éboulis souvent du à la détente lié par un ciment carbonaté

Emergences : terme général employé pour nommer les sources

Espace du temps figé : partie de la zone de transfert vertical où l’écoulement est pratiquement inexistant, zone de re dépôt

Evaporites :  roche sulfatée produite par évaporation lagunaire : précipitation des sels dissous dans l’eau (gypse/anhydride…)

Exsurgence : source correspondant à des infiltrations diffuses à la surface du karst

Faille : fracture, avec déplacement des strates (rejet), provoqué par la modélisation du paysage

Gours : retenue d’eau bordée d’un trottoir de calcite

Impluvium, bassin versant: unité géographique qui désigne le bassin d’alimentation d’un karst (surface et karst profond)

Laminoir : galerie creusée sur un joint de strate peu incliné (plus large que haute)

Lapiaz : surface calcaire subhorizontale creusée par des sillons de dissolution

Limon :  particule très fine transporté par l’eau qui se déposent en couches succéssives

Lithologie : disposition des couches de sédimentation

Marmite : forme d’érosion dues a la fois à la corrosion et à l’usure mécanique

Méandre : galerie avec creusement rapide vers le bas

Orogenèse : genèse du relief (tectonique)

Puits d’effondrement : puits creusé du bas vers le haut à partir d’un gros vide (effondrement des strates)

Puits en éteignoir : puits s’élargissant vers le bas (parois souvent lisses et entaillées de cannelures)

Poljé : dépression fermée à fond plat

Reculée : tête de vallée entaillant un karst, l’amont de la vallée abouti à une émergence situé dans un cirque abrupt

Remplissage chimique : terme qui désigne le concrétionnement : calcite, gypse aragonite…

Résurgence : source correspondant à des pertes concentrées bien localisées

Solifluxion : remplissage argileux truffé de blocs anguleux et parfois de galets : les blocs anguleux proviennent de la gélifraction, les galets des rivières.

Tectonique : qualificatif des déformations de l’écorce terrestre (mouvement de terrain)

Transmissivité, conductivité :  l’ensemble du réseau de fissures qui assurent le passage de l’eau dans le karst

Vallée aveugle : vallée sèche fermée dans la partie inférieure par un verrou calcaire que l’eau traverse par une perte

Vallée sèche : ancienne vallée creusée dans la période post glacière : beaucoup d’eau de fonte coulant sur sol gelé, ensuite l’eau retrouve le réseau de fissure. Elle reprend de l’activité lors de fortes précipitation.

Varves : succession de couches de dépôt très fins avec une alternance de couleurs sombre et claire. Elles reflètent le passages des saisons

 

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