FANTÔMISATION, CRYPTOALTERATION ET ALTERATIONSUR ROCHE NUE
LE TRIPTYQUE DE LA KARSTIFICATION
Ghost-rock alteration, cryptokarstification and alteration on bare rock
the triptyque of karstification
Yves QUINIF*
* Faculté Polytechnique de Mons, Centre d'Etudes et de Recherches Appliquées au Karst (CERAK), Service de Géologie Fondamentale et Appliquée, Rue de Houdain, 9, B-7000 MONS, Belgique. E-mail : yves.quinif@fpms.ac.beArticle publié en 1999 dans les actes du colloque Karst-99 (colloque européen ; Grands Causses - Vercors).
Résumé :
L'attaque chimique des roches karstifiables, essentiellement les calcaires, peut se dérouler suivant trois modalités. (i) L'attaque chimique sur roche nue est le processus classique qui aboutit, avec l'existence d'énergie potentielle et mécanique, à la formation d'un système karstique. (ii) La cryptoaltération est une attaque chimique du toit du massif calcaire sous une formation de couverture perméable par les eaux d'infiltration. Les formes résultantes sont des dépressions dans lesquels la formation de couverture s'enfonce petit à petit. (iii) La fantômisation est une altération isovolumique in situ du calcaire par des eaux d'infiltration très lentes. Les formes résultantes sont de grands volumes altérés où il ne subsiste que le squelette insoluble et une grande porosité, mais où la structure initiale du massif est conservée : stratification, accidents lithologiques, fractures. Plus bas, des pseudo-galleries se forment dans lesquelles le volume entre des parois saines est occupé par une altérite résiduelle de la roche originelle.
Abstract :
Rocks, essentially limestones, which can be karstified can be altered by three different processes. (i) The chemical attack on bare rock which constitues the "classical" process. This chemical energy dissipation units with potential and mechanical energies dissipation to form karstic systems. (ii) The cryptoalteration results from alteration of the top of limestone under a permeable formation by percolation waters. Resulting forms are the "cryptokarst" which consists in depressions filling with covering formation. (iii) The ghost-rock formation is the result of in situ isovolumic alteration by very slow percolation waters. The ghost-rocks are great volume at the top of the massif where the carbonate is disapeared, with a great porosity and the conservation of the massif structure like stratification, lithologic accidents, fractures. Under these ghost-rocks, pseudo-endokarstic galleries forms, where the volume between intact walls are constituted by residual alterite of the limestone.
I - LE SYSTEME KARSTIQUE : CAUSES ET CONSEQUENCES
Le système karstique provient 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).
(i) La dissipation d'énergie résulte de la transformation de 3 types d'énergie primaire au niveau du système : énergie chimique, énergie potentielle et énergie mécanique. La transformation de l'énergie chimique est la dissolution de l'encaissant avec la production de solutés (ions Ca++, Mg++, HCO3-, etc) et de matières solides (argiles, grains de dolomie, etc). L'intensité de cette transformation dépend du potentiel chimique à l'entrée du système (concentration de CO2 et d'autres acides). La transformation de l'énergie potentielle comprend l'évacuation des produits de l'attaque chimique (solutés et matières solides) ainsi qu'une production de chaleur par la viscosité du liquide. Deux paramètres interviennent : différence d'altitude entre l'entrée et la sortie du système et débit d'eau qui transite par le système. Enfin, l'énergie mécanique est la cause de la fracturation du massif, de la mise en détente mécanique de certaines familles de fractures et de la surrection du massif qui accroit l'énergie potentielle.
(ii) L'ensemble des discontinuités de la masse rocheuse permet le transit des eaux par la voie souterraine. Elles résultent d'abord de la sédimentation avec les plans de stratification, ensuite de la fracturation due aux forces tectoniques : joints, fentes de tension, diaclases, failles. Dans le cas d'un massif qui évolue vers la karstification, seules certaines familles de discontinuités sont karstifiées à cause de l'anisotropie au cours du temps des contraintes mécaniques qui s'exercent sur le massif.
(iii) La structuration temporelle et spatiale qui aboutit à la formation du système karstique résulte de la dissipation des énergies mises en oeuvre dans un système ouvert. Thermodynamiquement, l'entropie totale du système décroît au cours du temps. Ce phénomène peut être considéré comme une loi générale de la nature et est intrinsèque au système s'il présente les caractéristiques énoncées plus haut.
II - LES TYPES D'ALTERATIONL'altération chimique joue un grand rôle dans la karstification car elle est à la base du départ de matière hors du système (FORD D. & WILLIAMS P. 1989). Le départ de matière par abrasion mécanique est un phénomène quantitativement mineur qui n'agit que lorsque la karstification est suffisamment développée pour permettre une circulation torrentielle au sein du système. Or, il apparaît lors de l'étude naturaliste des formes et dépôts résultant de la karstification que trois modes d'action peuvent être distingués.
II.1 - La corrosion
Elle agit sur roche nue et est l'archétype du phénomène. Une phase liquide se trouve en contact avec une phase solide avec le départ des ions Ca++ et CO3-- vers la phase liquide (PICKNETT R.G. & al. 1976 ; ROQUES H. 1967). L'eau circule suivant toutes les modalités de l'hydrogéologie : mode laminaire ou mode turbulent suivant le type de vides et le potentiel. C'est ce mode d'action qui est couramment invoqué pour comprendre l'aspect chimique de la karstification. En effet, ses conséquences géologiques sont la genèse d'un réseau karstique souterrain classique avec des formes de surface (lapiaz, dolines, etc) et souterraines (galeries, puits, salles, etc)(WHITE W.B. 1988).
Figure 1 :
Microformes de corrosion sur roche nue (Tiddis, Algérie). Les cannelures sont nettes, les crêtes sont aiguës.
Corrosion microforms on bare limestone (Tiddis, Algeria). The little channels are well marked, the edges are sharp.
II.2 - La cryptoaltération
Elle consiste en l'altération de la masse rocheuse au contact d'une autre formation perméable non karstifiable de couverture du massif calcaire. Ce processus se produit généralement lorsqu'une formation sableuse non carbonatée repose sur le substratum karstifiable, généralement un carbonate (COURREGE M. 1997 ; DUPUIS C. 1992 ; NICOD J. 1992 ; QUINIF Y. & AL. 1997 ; SALOMON J.-N. & AL. 1995). Ses conséquences géologiques sont différentes de l'altération s.s. car la disparition de matière par dissolution du carbonate à son toit entraîne un enfouissement progressif de la couverture non karstifiable avec formation de morphologies de type palustre en surface. Il n'y a pas de vide résultant de ce processus. Une sédimentation continentale particulière voit l'apparition de sédiments réduits, confinés avec développement de tourbe ou lignite. 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. Ce sont des cryptokarsts qui renferment d'importants gisements de fer comme les "Abannets" en Belgique (QUINIF Y 1989).
II.3 - La fantômisation
C'est l'altération isovolumique d'une masse rocheuse, tout au moins dans sa première phase. Le terme de ce processus vient de ce que le massif fantômisé apparaît de loin intact ; la stratification, les accidents lithologiques sont toujours visibles mais la roche est devenue non cohérente, très poreuse, par disparition d'éléments solubles et conservation in situ des éléments moins solubles (calcite sparitique, squelette siliceux) (QUINIF Y. & AL. 1993 ; VERGARI A. & QUINIF Y. 1997 ; KAUFMANN & AL. 1999). Les vides souterrains résultants sont des pores et non des conduits. La fantômisation se déroule à partir de la surface per descensum, se traduisant par la formation de couloirs parallèles qui se réunissent pour dessiner de vastes volumes en forme d'entonnoirs ou d'hémisphères géants : les couloirs ont des largeurs de l'ordre de quelques mètres et des longueurs décamétriques, les grands fantômes ont des diamètres d'ordre hectométrique et des profondeurs allant jusqu'à plus de 100 m sous la surface du sol. Plus bas, ces structures se prolongent sous la forme de pseudo-endokarsts qui affectent la forme de galeries colmatées. La grande différence avec une galerie colmatée est qu'ici, le colmatage est en fait le résidu in situ de l'altération (VERGARI A., 1998). Jamais cette structure n'a été vide de matière. Ces pseudo-endokarsts dessinent des formes géométriques complexes qui se calquent sur la fracturation. Dans une phase évolutive ultérieure, le résidu d'altération se tasse sur lui-même et un vide apparaît au toit de la pseudo-galerie.
Figure 2 :
Cryptodoline. Cette forme résulte de la dissolution du toit du calcaire sous une couverture perméable. La preuve en est la déformation de la couverture au fur et à mesure de l'approfondissement de la cryptodoline, et la sédimentation palustre (en noir) en environnement continental. La couche superficielle (hachuré), par exemple un loess, scelle la forme qui est devenue non fonctionnelle. La formation de ces crypto-dépressions est conditionnée par la perméabilité de la couverture non carbonatée : l'eau agressive peut ainsi atteindre le calcaire.
Cryptodoline. This form results from the dissolution of the top of the limestone under a permeable cover. The deepening of the dolina provokes the deformation of the sediments and the apparition of palustrine sediments in a continental context. The upper formation (in shading gray), for example a loess, which is undeformed, indicates that the karstic form is become unfunctionnal. The formation of the cryptokarst is dependant on the permeability of the non carbonated cover : the water must reach limestone with its chemical aggressivity.
III - TYPES D'ALTERATION ET CONTEXTES GEOLOGIQUESCes trois modalités d'action de l'attaque chimique ne se déroulent pas de façon aléatoire, mais en fonction d'un contexte géologique précis, lui-même commandant les modalités de dissipation des trois formes d'énergie pré-citées. De plus, les paramètres géologiques se modifiant au cours du temps, ces modalités dissipatives sont aussi amenées à changer, de même par conséquence que le type d'action chimique.
III.1 - Le "karst vrai"
Il est la conséquence de la dissipation simultanée des trois formes d'énergie. Un massif karstifiable est amené en altitude, est soumis à un régime de contraintes tectoniques en extension et subit un climat humide et tempéré permettant le développement de la végétation. Un système se développe, qui comprend les formes, dépôts et circulations hydrologiques qualifiées de "karstique". L'hydrogéologie est de type non linéaire.
III.2 - Le cryptokarst
Il se développe au contraire si la structuration de l'endokarst ne prend pas trop d'importance. Sous une couverture perméable non karstifiable, généralement des arénites transgressives sur un socle aplani, les eaux d'infiltration qui restent agressives jusqu'au contact avec le toit du calcaire dissolvent ce toit mais l'absence de tectonique en extension les empêchent de pénétrer dans le socle pour y porter en profondeur leur agressivité chimique. Dans ce cas, le paysage est constitué de vastes dépressions colmatées avec la couverture marine transgressive et des sédiments continentaux de type palustre. L'hydrogéologie est de type Darcy.
III.3 - La fantômisation
Elle nécessite une pénétration de l'eau dans le massif sans possibilité d'enlèvement de matière résiduelle. Une tectonique en extension existe donc, ainsi que des conditions très altérantes, mais l'énergie potentielle est nulle. L'eau qui pénètre dans le massif par les fractures y circule très lentement mais porte l'agressivité en profondeur, sans que, au cours temps, une ouverture des vides créés ne se produise, vides qui restent à l'état de pores. Le paysage de surface est plat, avec des dépressions palustres peu profondes situées directement sur le socle carbonaté en voie de dissolution. Les processus chimiques qui président à ce type d'altération en profondeur, notamment dans les pseudo-endokarsts situés parfois à plusieurs dizaines de mètres sous la surface sont mal appréhendés. Ils comprennent des réactions d'oxydoréduction à partir de sulfures et de matières organiques, des migrations de silice et carbonates, ainsi que probablement une action bactérienne qui pourrait se révéler prépondérante.
Figure 3.
Coupe d'un "fantômes de roche". Le fantôme de roche est un volume important de roche altérée dans la masse essentiellement le long des diaclases verticales (2) mais aussi suivant les joints de stratification (1). La structure reste visible, comme par exemple les lits de cherts (3) mais la roche est dissoute dans la masse suivant des gradients qui dépendent notamment de la lithologie (4). Le carbonate de calcium peut être totalement ou partiellement dissous, laissant sur place les parties moins solubles avec une énorme porosité qui peut atteindre plus de 60%. Dans les parties altérées, des blocs restent intacts (7), "flottant" dans la masse poreuse, ou restant sous forme de pitons enracinés. Les fantômes peuvent être scellés par des couvertures discordantes (5) piégées dans les dépressions creusées lors de la transgression. Une couverture transgressive postérieure (6) fossilise ici cet ensemble fantômisé. Des pseudo-endokarsts (8) peuvent se développer en profondeur. Il s'agit en quelque sorte de fantômes circonscrits par des parois saines. Cette coupe schématique est inspirée des paléokarsts crétacés du Tournaisis dans le Hainaut (Belgique, VERGARI A. & QUINIF Y. 1997).
Section through a "ghost rock". The ghost rock is an important altered rock volume along vertical joints (2) and bedding planes (1). The structure remains visible, like flints beds (3), but the rock is dissolved in their mass following gradients which depend of the lithology (4). Calcium carbonate can be totally dissolved. It has less soluble parts left with an enormous porosity (sometimes more than 60%). In the altereted parts, blocs remain untouched (7), floating in the ghost rock, or like tours. Ghost rocks can be covered by discordant terranes (5) which are trapped in depression hollowed by the transgression. A later transgressive cover fossilizes here the lower unit. Pseudo-endokarsts (8) can develop deeper. They are ghosts limitated by undamaged walls. This schematic section is inspired by the example of the Tournaisis palaeokarsts in Belgium.
- L'EVOLUTION GEOLOGIQUE
Puisque les conditions de l'attaque chimique sont filles des conditions géologiques à une période donnée, le changement de ces paramètres géologiques modifiera le type d'agression chimique.
IV.1 - Le cas du "karst vrai"
Trois types d'évolution sont envisageables. Tout d'abord, l'évolution ultime du relief dans une région tectoniquement stable aboutit à une disparition quasi complète des formes, avec comme témoins résiduels des racines de dépressions ou de cavités colmatées. Une transgression marine peut sceller le paysage aplani sous une formation de couverture. Une surrection entraînera alors une cryptokarstification ou une nouvelle karstification. En deuxième lieu, une subsidence amène une oblitération complète du karst qui deviendra hydrogéologiquement non fonctionnel. Ici aussi, une formation transgressive peut cacheter le paysage mais une surrection entraînera une réactivation du paléokarst. Enfin, une reprise de l'activité tectonique provoque la mise en position perchée des anciennes formes. Dans ce cas, un nouveau niveau fonctionnel s'installera sous les anciens niveaux.IV.2 - Le cryptokarst
Il ne comprend que des formes de surface et subsurface non hiérarchisées. Soit l'évolution continue, tranquille, jusqu'à l'aplanissement, soit une surrection et une modification du régime tectonique entraînera la formation d'un "karst vrai" qui reprendra à son compte les anciennes structures cryptokarstiques.IV.3 - Les fantômes et pseudo-endokarsts
Ils pourront connaître les mêmes destins que les "karsts vrais". Lors d'une subsidence régionale, ils pourront être fossilisés par une formation transgressive. Une surrection, au contraire, les rajeunira grâce à l'apparition d'un nouveau potentiel hydraulique. Il s'ensuivra un décolmatage progressif et la genèse de cavités qui auront un aspect de "karst vrai".
V - LES HERITAGES
La comparaison entre les destins géologiques des trois structures d'altération est révélatrice de l'importance de l'héritage. Une région comme l'Europe du N.-W. a connu depuis 600 millions d'années une succession de plusieurs phases orogéniques : calédonienne, hercynienne, contrecoups de la tectonique alpine, plus des épisodes tectoniques associés ou non à ces crises orogéniques. Depuis le Dévonien moyen, des formations carbonatées sont impliquées dans ces épisodes tectoniques. Il est évident que se retrouvent des phases évoquées théoriquement ci-dessus de subsidence, de transgression sur des reliefs aplanis, de mise en position perchée de niveaux karstiques. Il est donc clair que plusieurs épisodes de karstifications se sont déroulés durant des périodes de temps séparées par des crises morpho-structurales. Lorsque l'environnement est favorable à un nouvel épisode de karstification, cette karstification agit sur un substratum qui présente d'anciennes structures karstifiées.
Suivant le contexte morpho-structural dans lequel les phénomènes d'altération se déroulent, c'est l'une des trois structures d'altération qui prédomine dans le paysage. Une tectonique en extension (énergie mécanique), un relief et une pluviométrie appréciable (énergie potentielle) aboutiront à un "karst vrai". Une énergie potentielle réduite et l'absence de tectonique en extension sur une formation de couverture donneront un cryptokarst. Une tectonique en extension importante et l'absence de relief (pas d'énergie potentielle) verront le développement des fantômes de roche. Les calcaires carbonifères du Hainaut (Belgique) depuis le Crétacé inférieur constituent un exemple type de la succession des trois structures d'altération (VERGARI A. & QUINIF Y. 1997).
Sur le socle cambro-silurien du Brabant se déposent en discordance une série dévonienne et des calcaires dinantiens. Au Crétacé inférieur, des rivières descendent du socle et abordent les crêtes calcaires dans lesquelles elles creusent un endokarst vrai au Crétacé inférieur, caractérisés par des grottes avec un remplissage fluviatiles allant des galets céphalaires aux sables fins. Un potentiel hydraulique et une tectonique en extension sont à l'origine de cet endokarst (QUINIF Y. & AL. 1997). Les fantômes de roches se développent à l'Aptien et l'Albien lorsque le paysage est aplani. Ils digèrent souvent les endokarsts précédents qui ne sont plus décelables que par leurs remplissages insolubles. Une évolution en subsidence conduit à une série de transgressions. Toutes ces formes et remplissages karstiques sont scellés par les transgressions cénomaniennes et turoniennes. L'Eocène connaît une phase de cryptokarstification provoquée par une surrection à la limite Thanétien - Yprésien (DUPUIS C. 1995). Enfin, une faible réactivation naturelle du paléokarst se déroule au Quaternaire.
VI - LA STRUCTURATIONUne grande différence existe dans la structuration générale entre le karst vrai et le pseudo-endokarst (VERGARI A. & AL. en préparation). Ce dernier ne dépend pas de l'action de l'énergie potentielle. Il ne subit donc comme contraintes géométriques que celles imposées par les familles de fractures favorisées par un régime tectonique en extension. Le réseau pseudo-endokarstique adoptera donc une disposition de réseaux de fractures, suivant quelques familles directionnelles. De plus, comme les écoulements sont très lents, liés autant à des phénomènes de diffusion dans les corps poreux qu'à des écoulements qu'ils soient laminaires ou turbulents, la structuration est assez faible.
Le "karst vrai", en plus d'être contraint par les mêmes critères tectoniques, le sera aussi par des critères hydrogéologiques et morphologiques. Tout d'abord, les conduits se développeront au détriment de familles de fractures dont la direction est le plus en accord avec une direction d'extension tectonique. Cette contrainte agit surtout lors de l'initiation des écoulements, dans la première phase de la karstogenèse où les écoulements sont très lents et où les solutions chimiquement usées ont de la peine à être renouvelées (DREYBRODT W. 1987). Ensuite, le vecteur point d'enfouissement - points de sortie imposera une direction préférentielle aux écoulements. Ce vecteur est lui-même la résultante de l'évolution géomorphologique régionale (creusement des vallées). Ces contraintes hydrodynamiques aboutiront à une forte structuration dont la plus aboutie est la structure hiérarchisée des conduits.
On constate donc que, dans leur phase initiale, karst vrai et pseudo-endokarst présente une structuration très différente, plus forte dans le cas des karsts vrais. Une deuxième phase, par contre, faisant intervenir le décolmatage des pseudo-endokarsts lors d'un rajeunissement du relief comprend une composante directionnelle qui dépend maintenant d'un potentiel hydrodynamique. La cavité résultant de ce décolmatage adoptera une structuration analogue à celle d'un karst vrai. Son origine ne transparaîtra que dans l'examen des terminaisons de galeries et de points de jonction faisant apparaître des coupes dans des pseudo-galeries non encore décolmatées.
VII - CONCLUSIONLa distinction entre les trois modes d'altération chimique conduit à mettre en exergue les paramètres géologiques régionaux et leur évolution.
(i) Il apparaît ainsi que la karstification s.l. d'un massif peut suivre plusieurs voies et affecter de façon très différente un paysage. Il faut bien-sûr tenir compte que seuls les "vrais karsts" et les pseudo-endokarsts rajeunis peuvent être explorés spéléologiquement, les autres morphologies ne se dévoilent que géologiquement (affleurement, sondages, carrières, etc).
(ii) L'existence de la fantômisation permet de comprendre des traces de karstification sous forme de cavités ou de formes de surface dans des roches non carbonatées. Les célèbres karsts dans les grès des tépuys vénézuéliens apparaissent bien être des pseudo-endokarsts rajeunis.
(iii) Les problèmes d'héritage s'imposent comme fondamentaux dans l'évolution géologique d'une région. (iv) Enfin, les conséquences pratiques sont très différentes. Le comportement hydrogéologique d'un pseudo-endokarst s'apparente plus à un aquifère de Darcy qu'un vrai aquifère karstique, sauf en cas de décolmatage. La prospection des karsts cachés dans la problématique des risques karstiques suit une autre logique dans le cas du fantôme (paramètres tectoniques prépondérants), du cryptokarst (localisation plus aléatoire mais forme plus "standard") ou du "vrai karst" qui suit plus la logique morphologique extérieure. La distinction de ces trois modes d'altération est donc loin d'être académique mais recouvre une réalité géologique.
V - REFERENCES
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