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Karst et érosion karstique 17/11/2003 Auteur(s) : Michel Bakalowicz UMR 5569 Hy

Karst et érosion karstique 17/11/2003 Auteur(s) : Michel Bakalowicz UMR 5569 Hydrosciences, Montpellier, France. Publié par : Florence Kalfoun Résumé Définitions, conditions de formation, méthode d'étude des réseaux karstiques. Table des matières Qu'est ce qu'un karst ? Dans quelles conditions se forme un karst ? Quels sont les mécanismes mis en jeu dans la formation du karst? Quels sont les effets des variations du niveau marin sur le développement des réseaux karstiques ? Quelles sont les méthodes d'études des réseaux karstiques ? Pour en savoir plus Bibliographie Qu'est ce qu'un karst ? Le mot Karst est le nom allemand de la région des plateaux calcaires à l'est de Trieste, en Slovénie. Le karst est toujours défini, à tort, uniquement comme un type particulier de morphologie. Or le paysage du karst résulte des écoulements souterrains particuliers qui se mettent en place progressivement dans les roches carbonatées (calcaires et dolomies) et dans les roches salines (gypse et parfois sel gemme). Le karst est donc également un aquifère puisque l'eau souterraine est totalement impliquée dans sa formation et dans son fonctionnement. Ainsi, le karst est constitué par un ensemble de formes souterraines et de surface et de conditions d'écoulements souterrains (Fig. 1 et Fig. 2), qui interagissent les unes sur les autres. 1/8 https://planet-terre.ens-lyon.fr/ressource/erosion-karstique.xml - Version du 07/04/21 Source - © 1999 M. Bakalowicz, SDAGE Rhône - Méditerranée - Corse. Figure 1. Bloc diagramme représentant un paysage karstique synthétique.. Source - © 1975 D'après A. Mangin, thèse de doctorat d'état Figure 2. Bloc diagramme représentant l'aquifère karstique. On peut observer les différents éléments de sa structure (conduits ou drains, lieux de stockage ou « système annexe au drainage », épikarst, formes de surface), et les différentes modalités d'écoulement associées. Dans ces roches, la dissolution et l'écoulement souterrain créent des conduits parfois pénétrables par l'homme (Fig. 3) ; ces conduits sont organisés en réseau hiérarchisé de l'amont (les points d'infiltration d'eau dans la roche) vers l'aval (la source). En dehors du réseau karstique, les vides dans la roche sont constitués par des cavités (Fig. 4) et par les discontinuités de la roche (fissures, fractures et plans de stratification plus ou moins élargis par la dissolution) ; tous ces vides sont mal connectés hydrauliquement aux conduits. Cette organisation (= réseau karstique ou réseau de drainage) se fait à la manière de celle des fleuves et des rivières, en fonction de la pente générale et de la résistance opposée par la roche (perméabilité) ; elle peut être plus ou moins linéaire et simple, ou très complexe. 2/8 https://planet-terre.ens-lyon.fr/ressource/erosion-karstique.xml - Version du 07/04/21 Source - © 2003 Michel Bakalowicz Figure 3. Rivière souterraine dans les marbres de la région de Svartissen (Norvège).. Source - © 2003 Michel Bakalowicz Figure 4. Cavité noyée possédant des connexions hydrauliques médiocres avec le réseau karstique de drainage, dans le système karstique du Baget (Ariège, Pyrénées).. Il s'agit d'un « système annexe au drainage » tel que représenté dans le modèle de karst. Dans quelles conditions se forme un karst ? Le processus de mise en place du karst (= la karstification) est rapide, en temps géologique évidemment ; pour qu'un réseau se mette en place, il suffit de quelques dizaines de milliers d'années au maximum. Un réseau souterrain se met en place en se « calant » sur le niveau le plus bas des calcaires dans le paysage : c'est le niveau de base, où apparaît la source. Mais les écoulements peuvent se produire à des niveaux inférieurs à celui de la source, en profondeur dans la formation géologique. Ainsi, pour que se forme le karst, il faut que soient réunies les conditions suivantes : Source - © 2003 Michel Bakalowicz Figure 5. Empreintes de racine dans le calcaire, par dissolution dans la zone de production de CO2.. 3/8 https://planet-terre.ens-lyon.fr/ressource/erosion-karstique.xml - Version du 07/04/21 Équation de la dissolution du CO2 dans l'eau : CO2 + H2O ⇋ H2CO3 puis H2CO3 ⇋ H+ + HCO3-. Equation de la dissolution de la calcite (CaCO3) : CaCO3 + H2O + CO2 ⇋ Ca2+ + 2 HCO3-. L'eau doit pouvoir dissoudre la roche, donc contenir un acide. L'acide le plus commun résulte de la dissolution du dioxyde de carbone (CO2) produit par la végétation dans les sols (Fig. 5) L'eau doit pouvoir s'écouler à l'intérieur de la roche, c'est-à-dire que l'écoulement souterrain doit se produire, de préférence à l'écoulement superficiel. Comme les vides de la roche (fissures, fractures et joints de bancs) possèdent à l'origine une très faible largeur pour la plupart, la roche présente une faible perméabilité, c'est-à- dire qu'elle oppose une forte résistance à l'écoulement souterrain. Il faut donc qu'existe une charge suffisante d'eau souterraine, soit une hauteur suffisante par rapport au point de sortie. Cette condition est remplie lorsqu'il existe un relief bien marqué, comme en montagne ou dans les régions de plateaux traversés par des gorges (canyons). Quels sont les mécanismes mis en jeu dans la formation du karst? Les mécanismes en jeu sont : la dissolution de la roche, l'écoulement souterrain, qui évacue au fur et à mesure les matières dissoutes. La dissolution des roches carbonatées (calcaire et dolomie) est un ensemble complexe de réactions mettant en jeu trois phases : solide (la roche, CaCO3 ou CaMg(CO3)2), liquide (l'eau et ses substances en solution), gazeuse (le CO2 produit dans les sols). Il s'agit des réactions se produisant entre l'eau et l'air (dissolution ou évasion du CO2), entre l'eau et la roche (dissociation des minéraux carbonatés) et à l'intérieur de la solution (combinaison des différents ions entre eux). Équation de la dissolution du CO2 dans l'eau : CO2 + H2O ⇋ H2CO3. H2CO3 ⇋ H+ + HCO3-. Équation de la dissolution de la calcite (CaCO3) : CaCO3 + H2O + CO2 ⇋ Ca2+ + 2 HCO3-. Comme ces réactions ne sont pas immédiates, et se déroulent à des vitesses différentes, la dissolution de la roche se produit soit en surface, soit plus ou moins en profondeur, selon que l'eau circule lentement ou plus ou moins vite. Quand une fissure est élargie par la dissolution, le débit qui la traverse augmente aux dépens des fissures voisines ; elle prend alors de plus en plus d'importance et devient progressivement un conduit. Toutes les fissures voisines cessent de s'élargir, puisque toute l'eau passe par le conduit. Quels sont les effets des variations du niveau marin sur le développement des réseaux karstiques ? En fait, ce n'est pas seulement le niveau marin qui règle la position des réseaux karstiques, mais, de manière générale, le niveau de sortie des eaux souterraines, imposé par le point le plus bas à l'affleurement des roches carbonatées. C'est le niveau de base des écoulements souterrains. Quand le niveau de base s'abaisse, un nouveau réseau se met en place à une cote inférieure à celle du réseau karstique qui fonctionnait jusque-là. C'est ainsi qu'en montagne on peut observer dans les grottes des niveaux superposés de galeries abandonnées par les eaux courantes.(Fig.6 ) 4/8 https://planet-terre.ens-lyon.fr/ressource/erosion-karstique.xml - Version du 07/04/21 Source - © 1999 Michel Bakalowicz Figure 6. Exemple d'organisation d'un réseau karstique sur différents niveaux. Ces abaissements du niveau de base sont dus à deux mécanismes : l'abaissement du niveau marin, lui-même provoqué surtout par l'augmentation des glaces continentales, qui immobilisent de l'eau douce et diminue le volume des océans. la surrection des chaînes de montagnes et de leur environnement. Le premier mécanisme est général à la planète et simultané sur tous les continents. Il provoque l'enfoncement de toutes les vallées ; les rivières ré-équilibrent leur profil général. Le second mécanisme est plus local et s'est produit à des âges différents selon les chaînes de montagnes (Fig. 7) Source - © 2003 Michel Bakalowicz Figure 7. Le porche de la grotte de Niaux (Ariège, Pyrénées), avant qu'il ne soit occupé par une structure d'art contemporain.. Ce porche correspond à une ancienne perte qui absorbait les eaux du Vicdessos pour les conduire, via les grottes de Niaux, Lombrives et Sabart, dans la vallée de l'Ariège. Ce réseau fonctionnait au Pliocène, il y a 2 à 5 Ma ; il a été abandonné du fait de la surrection des Pyrénées qui a enfoncé le niveau de base régional. Ce réseau a été ensuite réactivé par les torrents glaciaires, lorsque les glaciers quaternaires ont rempli la vallée. La grotte de Niaux drainait les eaux souterraines vers ou depuis la vallée de l'Ariège, selon la position relative des glaciers dans ces vallées. Les phases d'écoulement de ces torrents ont pu être datées grâce aux stalagmites déposées entre les sables et graviers fluviatiles. Ainsi, les glaciations du Quaternaire (début à -1,75 Ma ; 1 Ma= 1 million d'années. Fin à -10 ka ; 1 ka = 1 000 ans) ont provoqué des abaissements de l'ordre de 100 à 150 m du niveau marin ; le plus important fut au cours de la dernière glaciation, le Würm (entre -80 et -10 ka), avec un niveau bas vers -120 m vers -20 ka. Des réseaux karstiques ont pu se développer sur ce niveau bas, mais seulement dans les régions uploads/Geographie/ erosion-karstique 1 .pdf