Relief karstique
Sommaire
- 1 Introduction. Présentation
- 2 Processus chimique de dissolution de la roche par l’eau
- 3 Structures dues à l’action de l’eau sur les roches au cours de cette dissolution
- 4 Processus chimique de formation des concrétions
- 5 Les différents types de concrétions
- 6 Et lorsque l’eau ressort
- 7 Les reliefs karstiques autres que dans du calcaire
- 8 Conclusion
Introduction. Présentation
Le relief karstique est une forme de paysage provoqué par l’action de l’eau qui s’infiltre dans le sous-sol de certaines régions. Cette eau va dans un premier temps dissoudre la roche puis dans un second temps, redéposer cette matière dissoute en créant des formations caractéristiques.
Le mot «Karst » vient de Kras, région de Slovénie où ce relief est bien présent. Le mot « Kras » fut germanisé en Karst lors de l’intégration du pays à l’Empire Austro-hongrois. Ce relief particulier a été étudié par les géographes autrichiens au 19ème siècle.
Dans les reliefs karstiques, l’eau, plutôt que de couler en surface comme dans d’autres régions, s’infiltre dans le sous-sol. Ce relief (on utilise souvent en France le mot "causse" pour le désigner) se rencontrera le plus souvent dans le cas où le sous-sol est constituée de roches calcaires : calcaires et dolomies surtout, mais aussi craie, marbre, et travertin. Mais l'action de l'eau peut créer des karsts dans le gypse, l'anhydrite et le sel-gemme (halite), mais aussi dans des grès ou des quartzites.
Les paysages karstiques sont caractérisés par des formes de corrosion de surface mais aussi par des formations souterraines étonnantes. Un certain nombre de mots de vocabulaire géologique sont à rapporter à ce type de relief et nous les expliquerons ici : doline, stalagmite, stalactite, résurgence, lapiaz…..
Près de 20% de la surface terrestre émergée est constituée de karst. En France, des paysages karstiques se rencontrent sur presque la moitié du territoire : Alpes, Pyrénées, Jura, Préalpes provençales, Plateau Lorrain, Bassin Parisien, Bassin Aquitain, Causses….
Processus chimique de dissolution de la roche par l’eau
Nous allons parler ici du cas le plus fréquent ; celui de la dissolution des carbonates (calcaire, craie, marbre, travertin…). Quelques cas particuliers (hors carbonates) seront évoqués à la fin de cette étude.
Dans un premier temps, l’eau (de pluie) va se charger de dioxyde de carbone (CO2). Celui-ci provient en partie de l’atmosphère mais majoritairement du dioxyde de carbone contenu dans le sol et qui, lui, est d’origine biogénique (respiration des êtres vivants, décomposition de la matière organique).
La réaction chimique est la suivante :
Cet acide carbonique va se dissocier en présence d’eau :
Si l’eau pure ne peut dissoudre que 15 mg de calcaire par litre, cette eau acide (ph6 environ) peut en dissoudre jusqu’à 60 à 80 mg par litre après traversée dans l’atmosphère et jusqu’à 200 mg par litre grâce au dioxyde de carbone issu de l’activité biologique du sol.
Dans le cas du calcaire, le carbonate de calcium (CaCO3) sera donc attaqué par l’ion acide selon cette réaction :
Globalement, on peut résumer ces réactions ainsi :
L’ion calcium passe ainsi en solution sous forme d’hydrogénocarbonate de calcium (Ca2+ + 2HCO3-) qui pourra être transporté par l’eau.
Un certain nombre de facteurs agissent sur cette réaction :
- La température de l’eau : plus elle est basse et plus elle peut se charger de dioxyde de carbone.
- L’abondance de l’eau : les régions désertiques ne sont pas favorables à la formations de reliefs karstiques.
- La nature de la roche.
- La teneur de l’eau en dioxyde de carbone : cette teneur augmente avec la pression par exemple mais aussi avec l’abondance dans le sol d’êtres vivants fournissant ce dioxyde de carbone à l’eau.
- La présence de fractures, fissures, diaclases, cavités… dans la roche permet une meilleure infiltration de l’eau dans la roche et une dissolution meilleure.
- La durée de contact entre l’eau et la roche : il vaut mieux des roches microfissurées où l’eau circulera lentement, que de grosses fractures qui diminueront la surface et le temps de contact entre l’eau et la roche.
Structures dues à l’action de l’eau sur les roches au cours de cette dissolution
L’eau chargée de dioxyde de carbone (et donc à caractère acide) va circuler dans les roches calcaires fracturées en empruntant les failles, diaclases et autres espaces présents dans la roche. Lorsque le massif calcaire a subi au cours de son histoire des mécanismes de surrection, plissements…., la présence de ces vides dans la roche est d’autant plus importante. C’est en circulant dans ces espaces que l’eau se charge d’ions calcium en dissolvant peu à peu la roche qu’elle traverse. Le résultat de cette attaque chimique est l’élargissement progressif des failles et des espaces, pouvant créer à la longue l’apparition de cavernes souterraines, de galeries, de grottes….
En surface, le relief karstique peut se traduire par l’apparition de lapiez, de dolines, d’avens…. Nous allons décrire quelques formations :
Les lapiez
On dit aussi lapiaz, lapié ou karren (dans le Jura). Ce sont des rigoles de dissolution plus ou moins parallèles, tracées sur les sols calcaires par l’action de l’eau (ruissellement) ou par les alternances de gel et de dégel. La roche est comme déchiquetée, dentelée, avec des aspérités coupantes parfois, des trous, des crevasses, des rainures…..
Quand des argiles issus de la décarbonatation (argiles de décalcification) s'accumulent dans les creux du lapiaz, une végétation peut s'y installer. Dans le cas contraire, le lapiaz est complètement stérile.
Les paysages ruiniformes
Ce paysage, typique des régions karstiques présente un aspect de ruines (d’où son nom). Il s’agir de formes dues à l’érosion lorsque le sous-sol est hétérogène (calcaires et dolomies par exemple, ou grès et calcaires). L’action de l’érosion est inégale, les roches les plus résistantes (aux agressions physiques ou chimiques) formeront des reliefs alors que les roches les moins résistantes disparaîtront et formeront des parties en creux.
En France, le site le plus connu est le paysage ruiniforme de Montpellier-le-Vieux, en Aveyron, sur le Causse Noir.
Les dolines
Ce sont des dépressions plus ou moins arrondies de la surface dans laquelle le calcaire a été dissout par l’eau de pluie, provoquant l’affaissement du sous-sol. Les argiles de décalcification (résidus de la dissolution chimique du calcaire) s’accumulent au fond de ces dolines, retenant l’eau et rendant ces surfaces fertiles et cultivables.
Si le fond de la doline continue à se creuser, on peut avoir formation d’un gouffre ou aven.
Lorsque plusieurs dolines se réunissent, on parle d'ouvala.
Dans certaines régions, ces dolines ont été aménagées en les pavant de calcaires pour en faire des abreuvoirs pour les animaux. L’argile présente en dessous empêche l’eau de s’échapper :
Les avens
Ce sont des gouffres caractéristiques des régions karstiques. Ils sont le plus souvent formés par l’effondrement de la voûte d’une cavité souterraine au cours de la dissolution du calcaire. Un aven communique généralement avec une grotte souterraine et tout un réseau de galeries.
L’aven Armand est en France l’un des sites les plus connus. On peut aussi citer le gouffre de Padirac.
Selon les régions, les avens ont été baptisés de noms particuliers : igue dans le Quercy, bétoire en Aveyron, emposieu dans le Jura, embut en Provence, scialet en Savoie et en Isère, cénote au Mexique….
Les pertes
Une perte est une ouverture par laquelle un cours d’eau devient souterrain après un trajet à l’air libre. Il ressortira par une résurgence. Un exemple connu est la grotte du Mas d’Azil en Ariège qui voit l’Arize disparaître sous terre.
Processus chimique de formation des concrétions
Lorsque l’eau qui a circulé dans le sous-sol en se chargeant d’ions Ca2+ débouche dans une cavité souterraine, un phénomène inverse de la dissolution va se produire : le concrétionnement.
Cette réaction peut s’écrire ainsi :
Cette réaction se produit lorsque l’eau perd une partie de son dioxyde de carbone (dégazage) ou si une partie de l’eau s’évapore. Les ions calcium précédemment en solution vont précipiter en se transformant en carbonate de calcium. Il se forme une concrétion.
Le mécanisme de formation des concrétions souterraines passe donc par trois phases :
• Dissolution de la roche calcaire par des eaux chargées de dioxyde de carbone lors de la circulation de cette eau dans le massif.
• Transport de cette eau chargée de calcium (sous forme d’hydrogénocarbonate de calcium) à travers les fissures, et autres espaces du massif.
• Départ de l’eau (évaporation) ou du dioxyde de carbone (dégazage) ce qui entraîne la précipitation du carbonate de calcium. C’est ce qui se produit lorsque après avoir circulé dans la roche, l’eau se retrouve dans une cavité aérienne (grotte, galerie..). La baisse de pression favorise le dégazage du dioxyde de carbone et l’évaporation de l’eau. Le carbonate de calcium précipite et se cristallise en calcite ou aragonite.
Si le mécanisme de dissolution-transport-concrétionnement parait simple, un certain nombre de facteurs peuvent influer sur ces étapes. C’est ce qui explique que selon les grottes, la « qualité » des concrétions peut-être très inégale.
• La vitesse de circulation de l’eau dans le massif : si la circulation de l’eau est trop rapide, la dissolution sera moindre et le concrétionnement de même. Cette vitesse dépend de la porosité et de la perméabilité de la roche (nature de la roche, taille des fissures….) mais aussi du climat (abondance ou rareté des précipitations).
• La température de l’eau : une eau froide favorise la dissolution mais réduit le concrétionnement. Pour une eau chaude, ce sera l’inverse.
• La présence ou l’absence en surface d’un couvert végétal et donc d’humus, augmente la quantité de dioxyde de carbone présent dans le sol et donc l’acidité de l’eau d’infiltration.
Il faut aussi signaler que ces phénomènes sont lents. La dissolution du calcaire et le concrétionnement sont très étalés dans le temps. Une concrétion peut grandir de quelques centimètres par an mais cela peut être de seulement quelques millimètres par siècle. Lorsque, pour des raisons diverses, la circulation de l’eau dans le massif s’arrête, les concrétions n’évoluent plus.
Les différents types de concrétions
La visite d’une grotte à concrétions laisse le visiteur souvent pantois devant la variété de formes et de couleurs que peuvent prendre les concrétions rencontrées. Il est habituel de classer les concrétions en deux catégories : celles qui se rencontrent en dehors de l’eau (concrétions aériennes) et celles qui se forment sous l’eau (concrétions immergées).
Les concrétions aériennes se forment dans les grottes et les galeries exondées, en milieu aéré et ventilé : ce sont les stalactites, stalagmites, draperies, piliers…
Les concrétions immergées se forment sous l’eau, soit dans les galeries immergées, soit dans les cuvettes ou bassins qui persistent çà et là dans les galeries en recueillant les eaux de ruissellement.
Les concrétions aériennes
C’est à cette catégorie qu’appartiennent les formes les plus connues : les stalactites et les stalagmites.
Les stalactites
Lorsqu’une goutte d’eau suinte au plafond d’une cavité, le dégazage qui se produit entraîne un dépôt de carbonate de calcium. Un petit tube va ainsi se former qui s’allonge et grossit au fur et à mesure de l’arrivée de l’eau à l’air libre.
Le centre de la stalactite présente donc un petit tube par où l’eau, arrivée par une fissure en haut de la stalactite, descend pour atteindre l’extrémité de la concrétion. Si ce canal central se bouche, l’eau va ruisseler le long de la stalactite et continuera son élaboration. La stalactite peut ainsi atteindre des dimensions imposantes.
Des conditions particulières peuvent donner à ces stalactites des formes plus irrégulières avec parfois des croissances plus ou moins horizontales.
Les stalagmites
Lorsqu’une goutte d’eau tombe du plafond d’une grotte ou de l’extrémité d’une stalactite, elle contient encore du carbonate de calcium en dissolution. Lorsqu’elle arrive sur le sol, elle produit des éclaboussures qui déposent de fines particules minérales. Au point d’impact se crée alors une sorte de bosse qui, par accroissement progressif de son sommet, donnera une stalagmite.
Si la hauteur de chute de l’eau est importante, et si le débit est suffisant, les éclaboussures permettront d’ériger des structures particulières en piles d’assiettes. On peut en rencontrer de magnifiques à l’aven Armand par exemple.
La taille des stalactites et des stalagmites est en rapport avec le débit d’eau et sa hauteur de chute. Si le débit est trop important, les stalactites n’auront pas le temps de se former au plafond. Elles seront de petite taille. Par contre, on aura alors des stalagmites épaisses, massives et impressionnantes.
Les colonnes et les piliers
Si la hauteur entre le plafond et le sol est assez réduite, il peut arriver que la stalactite et la stalagmite se rejoignent. Il se forme alors une colonne qui peut s’épaissir peu à peu en pilier.
Les fistuleuses
Ce sont des stalactites provoquées par un écoulement de très faible débit. Elles ont la forme d’un tube creux de petit diamètre, très fragile, mais pouvant atteindre plusieurs mètres de longueur.
Les draperies
Lorsque l’eau, au lieu de s’écouler directement du plafond d’une galerie, ruisselle le long de la paroi, la construction de la concrétion peut donner des formes très variées rappelant des draperies, des méduses, des cascades, des orgues… Le vocabulaire les désignant ne manque pas dans les commentaires des guides des grottes à concrétions.
NB : Un artisanat s’est développé autour de cette capacité que possède l’eau des paysages karstiques de pouvoir libérer et déposer sa calcite. Il suffit de placer, sous un ruissellement d’eau, des objets divers. Ceux-ci se recouvrent avec le temps (de 6 mois à un an) d’une jolie couche de calcite. On peut aussi utiliser des moules qui vont peu à peu se remplir de calcite. Au bout de 2 ans environ, le moulage permet d’obtenir des objets décoratifs.
Les concrétions immergées
Quand on visite des grottes à concrétions, il est commun de rencontrer çà et là sur le sol, des bassins, cuvettes, petits creux… où l’eau de ruissellement va s’accumuler. L’eau de ces vasques est bien sûr encore chargée de carbonate de calcium. L’évaporation progressive de cette eau va entraîner une sursaturation en calcite d’où cristallisation de celle-ci, sous des formes différentes, sur le fond, ou sur les bords des bassins.
Les gours
Ce sont des structures où l’eau arrivant dans un plan d’eau en quantité faible va entraîner un dépôt de calcite sur le bord de la zone d’écoulement du liquide. Il se forme ainsi un petit barrage qui en s’élevant formera à l’arrière un bassin appelé « gour ». Ce bassin s’approfondira progressivement au fur et à mesure de l’élévation du barrage de retenue. De contour généralement irrégulier, ces gours se présentent souvent à plusieurs, étagés le long d’une pente. L’eau se déverse successivement d’un gour à l’autre.
Autres concrétions
Lorsque l’alimentation est irrégulière, l’évaporation de l’eau dans ces bassins lors de « période sèche » va entraîner rapidement une cristallisation de calcite sous des formes très diverses. Ces cristallisations s’observent sur le fond ou sur les cotés du bassin.
Si l’écoulement d’un gour est très lent, ou nul, il peut se former à la surface de l’eau un voile fin de cristaux : on parle de « calcite flottante ». Cette calcite peut former de fragiles planchers à la suface.
Les perles des cavernes
Lorsqu’un petit grain de roche est prisonnier d’un petit bassin, l’arrivée régulière d’un filet d’eau dans ce bassin peut le faire tournoyer sur lui-même. La calcite se déposant régulièrement sur toute sa surface, on finit par obtenir une petite perle plus ou moins sphériques présentant à l’intérieur des couches concentriques de calcite.
La couleur des concrétions
Les concrétions étant formées de calcite ou d’aragonite (minéraux de couleur blanche), on pourrait s’attendre à ce que les concrétions soient de couleur blanche. Or quiconque a déjà visité des grottes à concrétions s’est bien aperçu que les stalactites, stalagmites, draperies et autres formations présentent souvent des teintes jaunâtres, orangées, brunâtres, noirâtres….
On a longtemps pensé que les oxydes de fer (rouille) et les oxydes de manganèse (noir), contenus dans le calcaire, étaient à l’origine de ces couleurs, l’eau entraînant ces oxydes en profondeur avec le carbonate de calcium pour les déposer avec la calcite lors du concrétionnement.
En fait, ces teintes sont dues à la matière organique que l’eau entraîne avec elle. En surface, la décomposition de la matière organique va créer une série de substances : les acides fulviques puis les acides humiques. Bien que contenus dans l’eau en très faible quantité, ces acides suffisent à teinter les concrétions lors de leur formation. Les acides humiques donneront les couleurs claires (jaunes et crèmes) ; les acides fulviques donneront les couleurs sombres (brunes). En climat froid, la décomposition de la matière organique étant plus lente, les acides fulviques seront plus abondants. Les concrétions seront plus foncées. En climat tropical, les acides humiques seront plus abondants (meilleure décomposition de la matière organique). Les concrétions seront plus claires.
La couleur des concrétions peut donc être un marqueur des climats régnant à la surface du karst au moment du concrétionnement.
La présence de certains métaux peut donner aux concrétions des couleurs particulières. Par exemple le cuivre colore l’aragonite en bleu et la calcite en bleu-vert. Ces teintes dues à la présence de métaux apparaissent lorsque les grottes sont situées sur des filons minéralisés.
Et lorsque l’eau ressort
La résurgence
Après avoir traversé un massif calcaire à travers fissures, failles, galeries…. L’eau finit par ressortir à l’air libre à un niveau inférieur. Cette sortie d’eau, fréquente dans les paysages karstiques est appelée résurgence. C’est une sorte de source mais l’eau des résurgences ayant simplement traversée les roches n’est pas filtrée et est donc de qualité médiocre. La source de la Loue dans le Doubs fait partie des résurgences les plus connues.
On peut signaler que le niveau de la mer ayant subi des fluctuations de niveau, une hausse de son niveau a positionné certaines résurgences en-dessous du niveau marin actuel. Ces arrivées sous-marines d'eau douce sont souvent bien connues et des essais de captage ont même été réalisés.
Les tuffières ou cascades pétrifiantes
Elles sont fréquentes dans le Doubs par exemple. Lorsque de l’eau d’une résurgence forme une cascade sur une zone végétalisée, un départ de calcite encore présente dans l’eau va se former sur la végétation (herbes, mousses…) ce qui va, à la longue, pétrifier cette végétation.
D’autres couches de végétation seront à leur tour pétrifiées et la masse de calcaire (le tuf) s’épaissit. Le site porte alors le nom de tuffière. Ces formations tuffeuses se rencontrent souvent au fond de petits vallons. La cascade pétrifiante donne naissance ensuite à un petit cours d’eau qui descend le vallon.
Le travertin est une sorte de tuf calcaire. On utilise fréquemment cette roche comme pierre de construction, dallages, carrelages, recouvrement de façades…
Les reliefs karstiques autres que dans du calcaire
Comme nous l’avons signalé en introduction, les reliefs karstiques ne sont pas réservés au calcaire. On peut en rencontrer dans d’autres roches.
Karst du sel
Dans le cas de ce type de karst, la présence de dioxyde de carbone dans l’eau n’a aucune importance. C’est juste l’action de l’eau qui intervient.
On rencontre ces formations par exemple en Sibérie septentrionale. En surface, des trous verticaux (ponor), au fond d’une dépression (polje) permettent à l’eau de pénétrer à l’intérieur du massif. A la sortie (résurgence), de vastes dépôts de sel (les « naleds salins ») peuvent occuper de grandes surfaces. Les sources peuvent aussi construire des « naled bougres salinsi », sorte de coupoles salines qui se forment directement sur la source et peuvent s’élever jusqu’à une dizaine de mètres de hauteur. L’eau continue à s’écouler par le sommet de cette structure.
Le diapir de sel de Slanic Prahova en Roumanie présente aussi des formations étonnantes tels de splendides lapiaz formés par dissolution par l’eau à la surface du sel.
Karst du gypse
Tout comme le karst du sel, la présence de dioxyde de carbone n’a pas d’influence. Ce type de karst se rencontre aussi en Sibérie septentrionale. On y observe en surface de vastes dépressions à pentes abruptes remplies d’eau, des dolines, des résurgences, des cours d’eau souterrains…. Des tufs à gypse peuvent aussi être observés.
Karst du marbre
Le principe est le même que pour le calcaire. C’est l’action de l’eau chargée de dioxyde de carbone qui agira sur la roche, en surface et en profondeur. Ce type de karst peut être rencontré en Bulgarie par exemple au niveau de la zone montagneuse de Pirin. Cette zone est constituée de deux roches : roches granitiques et marbre qui se sont mêlées ensemble. Un relief karstique s’est développé au dépens du marbre. En Norvège, près de Svartisen (célèbre pour son glacier, le plus bas d’Europe en altitude), un karst de ce type existe aussi.
En France, dans le massif de la Vanoise, au-dessus de Pralognan, un karst dans du marbre s’est développé. Il s’agit d’un marbre Trias à Crétacé supérieur, fortement plissé. On y observe des surfaces lapiazées, des dépressions karstiques, des canyons, des pertes et des résurgences, quelques grottes en paroi…
Karst de la craie
La craie étant aussi une roche calcaire (formée de carbonate de calcium), le processus sera le même que pour les autres roches calcaires (calcaire et marbre). Mais la craie étant une roche plus fragile et plus poreuse, la corrosion mécanique de l’eau sera plus importante. Dans un massif crayeux, les fissures vont rapidement se transformer en galeries…. L’eau circulera donc plus vite et la karstification sera plus rapide. Dans les zones crayeuses, le karst comprendra des conduits verticaux (puits et cheminées) issus des failles et des diaclases, des conduits horizontaux (galeries), des salles (de proportions parfois gigantesques) mais il y a aussi des concrétions (stalactites, stalagmites…). Les carrières de Caumont dans l’Eure en montrent de beaux exemples.
Karst du travertin
Se rencontre par exemple dans le parc national de Plitvice, Croatie.
Conclusion
Nous ne pouvons quitter le domaine karstique sans citer quelques paysages connus qui doivent leur existence et leur célébrité à ce type de phénomène :
• Les calanques de Marseille aux rochers et falaises blanches déchiquetés, avec la célèbre grotte Cosquer.
• Les cénotes mexicains, vastes gouffres provoqués par l’effondrement de terrains calcaires situés au-dessus d’un réseau de galeries et de rivières souterraines.
• La baie d’Halong au Viet-Nam, ancien relief karstique ennoyé par la suite par la mer. Cette multitude de rochers calcaires dressés en font un site touristique réputé.
• Les Tsingis de la côte ouest de Madagascar. Ces véritables forêts minérales impénétrables dressent vers le ciel des multitudes de pics calcaires acérés, déchiquetés…
• La France n’est pas dépourvue d’autres curiosités karstiques. Un grand nombre de grottes à concrétions sont connues de tous : l’aven Armand, le Gouffre de Prouymessac, le gouffre de Padirac, la grotte de Clamousse, la Grotte des Demoiselles, Dargilan, …. Certaines cavités karstiques ont servi d’abri ou de refuge aux hommes préhistoriques : qui ne connaît pas la Grotte de Lascaux.
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