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14 Jun

Les karsts - Grands traits

Publié par GSUM  - Catégories :  #Karstologie

Cet article est un extrait de la thèse de Benjamin Forès, soutenue à Géosciences Montpellier le 24 Novembre 2016. 

L'ensemble de la thèse est disponnible sur le site d'archive ouverte HAL: https://hal.archives-ouvertes.fr/tel-01649606

 

Cette section a pour but de présenter les karsts, objets d’étude de cette thèse et aquifères aux fonctionnements très particuliers. Le lecteur voulant en savoir plus sur la karstologie àl’issue de ce chapitre trouvera dans le livre de Ford et Williams (1989, réédité en 2013), une revue exhaustive de la géomorphologie et de l’hydrogéologie karstique. Il pourrait également être intéressé par les travaux de Mangin (1975), pionnier français, et par la thèse de Bruxelles (2001) qui est une référence pour les karsts (et karsts dolomitiques) des Causses en particulier.

Les karsts - Grands traits

1. Un karst : une histoire liée à l’eau

Etymologiquement, le terme de « karst » provient vraisemblablement de la germanisation du mot « Kras », nom slovène d’une région s’étendant du nord-est de l’Italie jusqu’au nord-ouest de la Croatie et l’ouest de la Slovénie et principalement constituée de hauts-plateaux calcaires fortement karstifiés. A partir de la fin du 19ème siècle, les hydrogéologues observent des phénomènes hydrologiques très particuliers dans la région. Des variations extrêmes du débit des sources se produisent, notamment entre les crues et l’étiage (basses-eaux en été). Des rivières en surface disparaissent alors que des plaines s’inondent. Ces phénomènes typiques ont conduit à la généralisation du terme de karst : à l’origine une région à l’hydrologie imprévisible.

1.1. Karstifications et évolutions

Aujourd’hui, le karst représente le plus souvent une structure géomorphologique (ou un système hydrologique, les deux étant liés) constituée de roches solubles ayant été karstifiées : c’est-à-dire ayant subi des processus d’érosion et de dissolution particuliers qui l’ont façonnée et organisée au cours de son histoire. Le karst est à la fois un ensemble de formes de surface (l’exokarst) et de formes souterraines (l’endokarst).

1.1.1. Karstification

La «karstification» au sens strict du terme se fait essentiellement dans les roches carbonatées, le calcaire (roche composée de calcite CaCO3) et la dolomie (composée de dolomite, où un atome de calcium sur deux est remplacé par du magnésium : CaMg(CO3)2). L’infiltration d’eau chargée en CO2 dissous (le plus souvent acquis lors de son passage au travers du sol) dans ces roches solubles va provoquer une succession de réactions chimiques qui vont dissoudre la roche. Pour de la calcite, on obtient en bilan la réaction réversible suivante :

Dans le cas de dolomite, le calcium (Ca) peut être remplacé par du magnésium (Mg) dansl’équation ci-dessus. Cette dissolution, initialement guidée par la fracturation dans le milieu (e.g. Siemers et Dreybrodt, 1998), va créer un réseau de conduits hiérarchisés perméables dans une roche très imperméable à la base.

La Karstification par Fantômisation est une alternative récente à la conception de dissolution totale (Quinif, 1999) qu’il est important d’aborder ici. Lorsque le gradient hydraulique est faible, le fantôme, squelette formé par les résidus moins solubles de l’altération d’un carbonate, reste en place et garde la forme initiale de la roche. L’érosion arrive dans un second temps, parfois de manière brutale. Ce processus, très présent sur les Causses (Bruxelles, 2001) est de plus en plus reconnu et pourrait être le principal type de karstification (Dubois et al., 2014).

1.1.2. Evolution

La karstification est un processus continu à l’échelle des temps géologiques : un karst est en constante évolution (Figure 3.2). La karstification passée et l’histoire géologique vont jouer un rôle important dans la karstification actuelle, en déterminant la fracturation, la porosité et le gradient hydraulique, facilitant ou non la circulation de l’eau et l’évacuation de la matière dissoute. D’une manière générale, plus la karstification est forte, plus la perméabilité l’est également (e.g. Ford et Williams, 1989 ; Hartmannn et al., 2014a).

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Une surrection ou une subsidence, tout comme un changement du niveau eustatique, vont provoquer des changements du niveau de base et la dissolution de nouveaux drains ou la réutilisation de drains antérieurs. Tous les paramètres qui peuvent favoriser la dissolution (e.g. Chou et al., 1989) mais surtout le climat (Smith et Atkinson, 1976; Bakalowicz, 1992) vont également diriger la karstification. De même que son ouverture ou non sur l’atmosphère, les terrains adjacents, sus-jacents et sous-jacents qui, en fonction de leurs perméabilités respectives, peuvent modifier les entrées, les sorties, et la chimie des eaux du système. Des spécificités liées à la chimie de la roche soluble sont également observables. Par exemple, les dolomies ont tendance à adopter un aspect « ruiniforme » avec l’altération (Figure 3.1). Sur le Larzac, certaines ont tendance à former un sable dolomitique: le grésou (terme caussenard, Ricard et Bakalowicz, 1996). Dans la suite de cette thèse, nous verrons que des indices tendent à attribuer des tendances générales dans les propriétés hydrauliques des terrains karstiques du Larzac en fonction de leurs lithologies initiales.

Chaque karst a donc ses spécificités propres en fonction de son histoire (e.g. Klimchouk et Ford, 2000a ; 2000b). Pour cette raison, toutes les observations et conclusions tirées de l’étude d’un système karstique sont uniques et très difficiles à exporter à d’autres.

1.1.3. Lexique karstique

Les paysages karstiques présentent de nombreuses formes superficielles aux noms spécifiques, et parfois locaux, que nous utiliserons fréquemment dans la suite du manuscrit. C’est le cas des dolines (Figure 3.3, aussi appelées sotchs sur les causses du Larzac) dépressions circulaires de toutes tailles. Les dolines peuvent être remplies d’argiles imperméables créant des bassins naturels recueillant les eaux de pluies et de ruissellement. Elles sont parfois aménagées en ‘lavognes’ pour l’abreuvage des animaux d’élevage. Il faut également retenir le nom d’aven, terme des Causses pour les abîmes, qui peuvent déboucher ou non sur des réseaux karstiques.

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1.2. Entités karstiques et fonctionnements hydrologiques

Une vision classique structure verticalement le karst en trois parties distinctes: l’épikarst, la zone d’infiltration et la zone noyée (Figure 3.4).

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1.2.1. L’épikarst

Sous une couche de sol ou directement au contact de l’atmosphère, l’épikarst est la partie superficielle du karst. Dissout, altéré et fracturé par la végétation, les variations climatiques et les conditions météorologiques, il est caractérisé par une porosité secondaire pouvant être très importante. Tous ces processus étant localisés, la forte variabilité à petite échelle spatiale des propriétés hydrauliques de l’épikarst est souvent à l’origine de poches saturées en eau ou de nappes perchées (Williams, 2008).

Le rôle et le fonctionnement hydrologique de l’épikarst ont été passés en revue par Klimchouk (2004) et Williams (2008). De plus en plus d’auteurs s’accordent pour donner un rôle capacitif majeur à la plupart des épikarsts, qui sont capables de retenir une grande partie de l’eau qu’ils libèrent de manière plus ou moins diffuse (Figure 3.5). Ce stockage est rendu possible grâce à la forte porosité de l’épikarst mais aussi grâce au fort contraste de perméabilité avec la zone d’infiltration. Par exemple, un fort stockage épikarstique est mis en évidence pour certains systèmes du Larzac (Ricard et Bakalowicz, 1996 ; Jacob et al., 2009), le système karstique de Milandre en Suisse (Perrin et al., 2003), et de nombreux autres encore (e.g. Gouisset, 1981 ; Williams, 1983 ; Lastennet, 1994 ; Lastennet et Mudry, 1997).

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Ce rôle important et sa vulnérabilité à la contamination, vu sa proximité avec la surface, en fait un compartiment dont l’étude est indispensable. L’épikarst, au rôle capacitif majeur, sera l’entité karstique privilégiée des études de cette thèse. En effet, sa proximité avec la surface est bienvenue pour l’imagerie géophysique qui perd en précision avec la profondeur. De même que sa porosité secondaire peut lui accorder une certaine homogénéité à l’échelle d’observation de la gravimétrie, comme nous le verrons dans les chapitres suivants.

1.2.2. La zone d’infiltration

Sous l’épikarst, on trouve une zone que l’on qualifie de zone d’infiltration. Cette zone n’est généralement pas vue comme une zone de stockage de l’eau importante (e.g. Bakalowicz, 1999). Dans la plupart des cas, elle va surtout avoir un rôle transmissif: elle va approvisionner le réseau noyé en eau au travers d’anciens réseaux karstiques abandonnés, de plus ou moins larges fractures perméables (Figure 3.5) et/ou de microfissures très peu perméables, en fonction du karst.

1.2.3. La zone phréatique

Enfin, on trouve la zone noyée (ou zone phréatique) où se situent les conduits karstiques actifs (ou réseau de drainage) qui vont conduire l’eau vers la (où les) source(s) du système. La zone noyée peut recevoir l’eau très rapidement au travers de pertes ou des larges fractures de la zone d’infiltration : on parle alors de transfert rapide. Une partie des infiltrations peut aussi se faire lentement et de façon diffuse, notamment si l’eau est retenue dans l’épikarst, représentant le transfert lent du système. Avec l’épikarsts, la zone phréatique est l’autre grande entité de stockage d’un système karstique.

1.3. Typologie karstique

Une classification des karsts se base sur la nature de l’impluvium (Marsaud, 1997). Un karst est dit ‘unaire’ lorsque toute l’eau du système provient des précipitations directement tombées sur sa surface : on parle alors de recharge autogène (Figure 3.6). Au contraire, une partie de la recharge d’un karst ‘binaire’ (Figure 3.6) est allogène. Des rivières courantes sur des terrains adjacents non karstiques peuvent disparaître rapidement au niveau de pertes (ex. Figure 3.3 et Figure 3.4).

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Une autre classification se base sur la position des drains principaux par rapport à la source (Marsaud, 1997). Dans un karst Jurassien (comme celui de la Figure 3.4), le réseau karstique actif est à la même altitude que son exutoire. Au contraire, le réseau de drainage se développe sous l’altitude d’une source Vauclusienne (Figure 3.3), qu’il rejoint en général par un conduit vertical. Ces réseaux profonds sont l’héritage d’un épisode de karstification antérieur, alors que le niveau de base était plus bas en altitude. Certaines sources sont d’ailleurs pérennes et coulent toute l’année, tandis que certaines sont temporaires et évacuent le trop-plein lors de mises en charge importantes.

En aparté, on peut noter également une typologie basée sur l’origine du solvant : karst «classique» pour un C02 pédologique (tous les karsts de cette thèse), karsts « hydrothermaux » ou encore karsts « littoraux » façonnés par l’interaction entre l’eau de mer et l’eau douce (Marsaud, 1997).

1.4. Hétérogénéité des karsts

La très grande diversité des écoulements, des compartiments hiérarchisés (Mangin, 1975, Figure 3.7) ajoutée à une histoire souvent polyphasée, laisse entrevoir l’incroyable diversité et hétérogénéité des karsts. Des perméabilités extrêmes se côtoient: on passe de conduits parfois décamétriques (dans lesquels l’eau peut couler à plusieurs m/s) aux microfissures d’un calcaire ou d’une dolomie plus saine (porosité <0.5%, Worthington et al., 2000), en passant par la porosité peut être plus classique de l’épikarst (jusqu’à 10%, Williams, 1985). L’échelle d’observation d’une mesure va donner des perméabilités totalement différentes (Kiraly, 2003) et il n’existe pas de volume élémentaire représentatif d’un système karstique (Bakalowicz, 2005).

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Références Bibliographiques:

Bakalowicz, M. (1992). Géochimie des eaux et flux de matières dissoutes, l’approche objective du rôle du climat dans la karstogenèse. Karst et évolution climatique, Presse Univ. Bordeaux, 60-72.

Bakalowicz, M. (1999). Connaissance et gestion des ressources souterraines en eaux souterraines dans les régions karstiques. Guide technique n 3, SDAGE Rhône- Méditerranée-Corse. Agence de l'Eau Rhône-Méditerranées-Corse, Lyon.

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Bruxelles, L. (2001). Dépôts et altérites des plateaux du Larzac central: causses de l’Hospitaletet de Campestre (Aveyron, Gard, Hérault). Evolution Morphogénique, Conséquences Géologiques et Implications Pour l’aménagement (Doctoral dissertation, Université de Provence).

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Ford, D. C., & Williams, P. W. (1989). Karst geomorphology and hydrology (Vol. 601). London: Unwin Hyman.

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Hartmann, A., Goldscheider, N., Wagener, T., Lange, J., & Weiler, M. (2014a). Karst water resources in a changing world: review of hydrological modeling approaches. Reviews of Geophysics, 52(3), 218-242.

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