Transcript Le Karst genèse – morphologies – évolution – utilisations et risques

Le Karst
1. morphologies – genèse – évolution
2. utilisations et risques
Sophie Verheyden
Institut Royal des Sciences Naturelles de Belgique
Collaboratrice scientifique VUB
[email protected]
Région du Kraš (Karst en allemand) (autour de Postojna) - Slovénie
Calcaires: Crétacé et Paléogène
Karst region near Skocjanske Jama,
Slovenia
Skocjanske Jama, Slovenia
Natural arch Rakov Skocjan
Planina Jama, Slovenia
Postojna Jama, Slovenia
Skocjanske Jama, Slovenia
Baron Johann Weichard Valvasor (164193) voyageur et homme de science.
1670-1680: 70 cavernes –2872 pages en
4 volumes
Joseph Anton Nagel (1717-1800)
mathématicien, 1747, Inventaire des
grottes autrichienne.
Karst < Kraš (en Slovénie) (nom croate)<
Karst (allemand). Viendrait d’un mot pré-IndoEuropéen ‘Karra’ ~‘rocailleux’
(Gams’93,Environm.Geol.21:110)
Définition:
Une zone à l’hydrologie et morphologie de
surface particulière, résultat de la solubilité
importante de la roche combinée à une grande
porosité secondaire.
Lapiaz (< lapis = pierre): le champ de
lapiés (rainures de corrosion ou Karren en
allemand) = karrenfeld (allemand)
Picos di Europa - Espagne
Lapiaz à plat - Pavement – Socotra
(Yemen/océan Indien)
Lapiaz à plat - Pavement – Désert de
Platé – Haute Savoie - France
Trous de dissolution
Formes de
dissolution
(échelle: 10cm)
Hohlkarren
Rigoles - cannelures
Rillen (Allem.) flutes (Anglais)
• Kamentize photo
Kamenitza – Picos di Europa - Espagne
Puits à neige
Image puit à neige
Karst à cannelures -Rillenkarren
meanderkarren
Patagonie - Pluviométrie: 8m/an
Kluftkarren
Rundkarren
Tsingy – Mexique - Spitzkarren
Stone forest – Yunnan
Chine
Les formes karstiques
Lapiaz: un champ de lapiés
Micro lapiés (<1cm) / lapiés (1cm – 10m) = formes de dissolution à petite et
moyenne échelle
Kluftkarren - dissolution le long de fractures
Rillenkarren - dissolution d’écoulement – Lapiaz à cannelures
Rinnenkarren - bord pointus
rundkarren - bords arrondi car formé sous couverture végétale
Flûtes - formes plus grandes liées à la pente plus importante
Tsingy - forme de surface, formée sous couverture végétale importante
Wandkarren - formes sur la paroi verticale
Kamenitze - petits bassins plats de dissolution
Doline – Vallée sêche de Lesves (Namur) – Belgique
Cfr. Sotch – cros (Causses-France)
Résultat d’un champs de dolines dans une région tropicale
Yezhong plateau (China) - Cockpit karst – karst à pitons, tours ou
mogotes (Cuba)
Ha Long Bay (Vietnam)
Doline d’effondrement Amostrenne - Belgique
Aven, Puits
Gouffre de Padirac
Cerknisko Polje Slovenia
Jezero Dolenje - Doline< vallée (russe, Croate)
Ouvala: résulte de la coalescence de plusieurs dolines
Ponor = perte, peut parfois fonctionner comme résurgence
Planina Polje, Slovenia
Poljé dans un karst tropical
Ponor - perte
Vallée sèche de Mont Belgique
Émergences: exsurgence/source
ou résurgence = Liban
Hautes
Hauteseaux
eaux
Fontaine de Vaucluse - France
Source Vauclusienne
Puits émissif.
Basses eaux
À l’étiage
Vallon Pont d’Arc – Ardêche-France
Baume-les-Messieurs et les Planches
Les reculées du Jura externe - France
Cfr vallée close, se terminant sur une perte
Endokarst
Conduite forcée - Vilaine Source Belgique
Galerie en trou de serrure - Mexique
Coups de gouge
Anastomosing de
voûte
Les formes karstiques
Lapiaz (< lapis = pierre) ou Karren (allemand): le champ de lapiés (rainures de
corrosion) = karrenfeld (allemand) - Causses
Les dépressions karstiques:
Dolines – Ouvalas - cockpit karst ( mogotes – karst à pitons) - Doline d’effondrement
Puits (avens )
Poljés: doline à fond plat et versants raides, colmatée par des alluvions avec parfois
une petite perte en bordure (ponor).
Microformes: coups de gouge – anastomosing – coupoles de voûtes
Formes fluvio-karstiques: Vallées sèches- vallées aveugles ( close ou fermée) - Les
reculées - Les canyons karstiques – les ponts naturels
Emergence - (résurgence – exsurgence)
puits émissif (source vauclusienne)
Classification du karst
•
Holokarst – merokarst (halbkarst) – Fluviokarst
•
Selon le climat: environnement: tempéré (précipitation uniforme sur
l’année)– Méditerranéen (étés secs) – tropical – aride (semi-aride) –
glaciaire ou alpin – périglaciaire – côtier.
•
Selon sa position: épikarst (surface) – endokarst (en profondeur)–
cryptokarst (karst caché - sous couverture perméable) – karst barré (limité
par des roches imperméables)
•
Karst fossile: paléokarst (inactif et « enterré ») – karst résiduel (reste du
karst formé sous d’autres (anciens) climat)
•http://www.karstwaters.org/files/glossary.pdf
Epikarst – endokarst - cryptokarst
Quelques
mètres
Le cryptokarst ou ‘karst caché’
Karst côtier – Espagne du nord
Les principaux phénomènes rencontré dans un karst actif
Le système du Verneau – Doubs/Jura - France
Les roches carbonatées – principaux affleurements
~12% de la surface terrestre non couverte par la glace, principalement dans l’hémisphère Nord.
En ajoutant le sel (NaCl)+ anhydrite (CaSO4): 20 % de la surface où les phénomènes karstiques
sont courant.
~25% de la population mondiale dépend entièrement ou partiellement de l’eau karstique.
La karstification
Énergie chimique
• Eau + acide + calcaire
• Gradient hydraulique
• Fracturation ( porosité secondaire)
Energie potentielle
Energie mécanique
Définition thermodynamique
Y. Quinif (1999)
http://www.karstologie.com/triptyque-karst.html
• Création de drains préférentiels
• Karst: Anisotrope !non validité de la Loi de Darcy!
• Les grottes = 5% des vides
PCO2 = 380ppm = 0.00038 atm
C
C
O
H20 +CO2 ↔H2CO3 ↔ H+ + HCO3- ↔2H+ +CO32-
CO2 PCO2 = 0.1 atm
CaCO3
©Sophie Verheyden, FNRS
H2CO3-HCO3--CO32-
2-
Acide carbonique
carbonate
bicarbonate
PCO2 = 380ppm = 0.00038 atm
C
C
O
H20 +CO2 ↔H2CO3 ↔ H+ + HCO3- ↔2H+ +CO32CaCO3 ↔ Ca2+ + CO3 2-
CO2 PCO2 = 0.1 atm
CO3 2- + H+ ↔ H CO3 CaCO3 + H20 + CO2 ↔ Ca2+ + 2HCO3 Dissolution
evaporation
Precipitation
PCO2 = 500ppm mais très variable
CaCO3
Dégazage de CO2!
©Sophie Verheyden, FNRS
Solubilité du CaCO3
[CO2] ↑ ; solubilité ↑;
pH↓
Effet de la Température?
0.1
10
CO2 concentration in calcite saturated solution (mg/l)
1000
Solubilité du CaCO3
[CO2] ↑ ; solubilité ↑;
pH↓
Pour [CO2] donnée, solubilité ↑
quand T°C ↓
0.1
10
CO2 concentration in calcite saturated solution (mg/l)
1000
Patagonie - Ablation: 10cm/siècle
Puits – Patagonie
Les roches karstifiables
Calcaire
craie
Dolomie
marbre
Gypse - anhydrite
Sel
Mais aussi:
Pseudokarst: morphologies similaires formées par
des processus autres que la
dissolution de la roche.
Quartzites
Volcanokarst - tunnels de laves
Gneiss
Thermokarst - (changement de phase)
grottes dans les glaciers ou
vides/dolines créés par la fonte d’un
permafrost.
Roches granitiques
Piping - Lessivage mécanique de
grottes dans des dépôts
sédimentaires
Karsts dans les quartzites de Minas Gerais
Brésil 2003
Par Luc Willems, Augusto Auler, Joel Rodet, Sérgio Melo Silva et André Pouclet
Tepuy (Venezuela): karst dans des quartzites
Tepuy - Venezuela
Karst dans le sel - Iran
Karst dans le sel - Iran
Thermokarst – Mont Erebus - Antarctique
Circular thermokarst ponds in peatlands, Hudson Bay
Lowlands, Manitoba. Natural Resources Canada
(http://sts.gsc.nrcan.gc.ca)
Volcanokarst - Lanzarote
Volcanokarst - Lanzarote
Quelques chiffres….
Grottes les plus profondes
http://caverbob.com/
Grottes les plus longues
•Krubera – Abkhazie,Georgie - 2191 m
•Mammoth Cave -USA- 627644 m
•Sarma - Abkhazie, Georgie -1760 m
•Jewel Cave -USA- 253246 m
•Illyuzia - Abkhazie, Georgie – 1753 m
•Ox Bel Ha -Mexico- 233086 m
•Lamprechtsofen -Austria- 1632m
•Optimistichna (gypse)-Ukraine- 232000 m
•Gouffre Mirolda -France -1626m
•Wind Cave –USA- 220512 m
•Réseau Jean-Bernard -France -1602m
•Sistema Sac Actun – Mexico- 217363 m
•Torca del Cerro -Spain- 1589m
•Lechuguilla -USA- 209601 m
•Shakhta Panthiukina -Georgia -1508m
•Hölloch - Switzerland - 198190 m
•Sima de la Cornisa – Espagne- 1507m
•Gua Air Jernih -Malaysia- 189072 m
•Cehi -Slovenie - -1502m
•Fisher Ridge Cave -USA- 183626 m
•Sistema Cheve -Mexico- 1484m
•Siebenhengste -Switzerland- 157000 m
•Sistema Huatla -Mexico- 1475m
•Schoenbergsystem - Autriche – 135200 m
Quelques chiffres….
Grottes les plus profondes
http://caverbob.com/
Grottes les plus longues
•Krubera – Abkhazie,Georgie - 2191 m
•Mammoth Cave -USA- 627644 m
•Sarma - Abkhazie, Georgie -1760 m
•Jewel Cave -USA- 253246 m
•Illyuzia - Abkhazie, Georgie – 1753 m
•Ox Bel Ha -Mexico- 233086 m
•Lamprechtsofen -Austria- 1632m
•Optimistichna (gypse)-Ukraine- 232000 m
•Gouffre Mirolda -France -1626m
•Wind Cave –USA- 220512 m
•Réseau Jean-Bernard -France -1602m
•Sistema Sac Actun – Mexico- 217363 m
•Torca del Cerro -Spain- 1589m
•Lechuguilla -USA- 209601 m
•Shakhta Panthiukina -Georgia -1508m
•Hölloch - Switzerland - 198190 m
•Sima de la Cornisa – Espagne- 1507m
•Gua Air Jernih -Malaysia- 189072 m
•Cehi -Slovenie - -1502m
•Fisher Ridge Cave -USA- 183626 m
•Sistema Cheve -Mexico- 1484m
•Siebenhengste -Switzerland- 157000 m
•Sistema Huatla -Mexico- 1475m
•Schoenbergsystem - Autriche – 135200 m
(TauTona Gold Mine South Africa: 3.9 km)
Un nouveau paradigme: la
fantômisation.
• Observations inexplicable par la
théorie de karstification classique.
• Observation de ‘fantômes’ dans les
carrières.
• Altération du calcaire et vidage +/rapide de l’altérite pour former le
karst.
• Quelle est la part karstification
classique/karstification par vidage
de l’altérite??
• Quels paramètres pour les 2 types
de karstification??
Le Karst belge
Les roches carbonatées en Belgique
Delaby S.
D’après C. Ek
Le karst belge
• Karst barré
• Karst actif: Perte-résurgence et recoupement de
méandre
• Karst ‘inactif’: résultat du vidage d’altérite
• Paléokarst
Han-sur-Lesse – Le Massif de Boine et La Chavée
Vilaine Source
Han: recoupement de méandre
Père Noël - Han
Han-sur-Lesse
Père Noël
Han-sur-Lesse
Hotton
Vilaine Source – Lesves – type perte-résurgence
Réseau Sud - Han
l’anticlinal du Massif de Boine vu du
dessous dans la grotte de Han
Quelques chiffres….
Grottes les plus profondes/longues en Belgique
Le Bernard (Mont Godinne): -120m
Han-sur-Lesse : 10km
Ernest Van den Broeck
Edouard-Alfred Martel
Edmond Rahir
1910
La Commission Wallonne d'Etude et
de Protection des sites Souterrains
(CWEPSS) est une ASBL dont le but
est de protéger l'environnement
karstique et souterrain.
www.cwepss.org/
Les dépots karstiques
Relation Karst - climat
Période glaciaire: sédimentation détritique
Période interglaciaire: sédimentation chimique (concrétions)
(Valable dans nos régions (lattitudes élevées))
©Sophie Verheyden
Glaciaire: peu de végétation – érosion- sédimentation détritique dans les grottes
Vilaine Source (Belgique)
La Chavée – Han-sur-Lesse)
Père Noël cave (Han-Belgium)
Interglaciaire: végétation – production de CO2 concrétionnement
Eisriesenwelt (Autriche)
C
C
O
O
CO2
CaCO3
Mg
Th
Ba Sr
U
CaCO3
CO2
Tephra
Paléomagnetisme
•Tectonique
U
Ba
Sr
•Archéologie
•Datation
Mg
CaCO3
•Infos sur le climat,
la végétation et
l’environnement
©Sophie Verheyden, FNRS
Les études paléoclimatiques dans les spéléothèmes
(= concrétions)
Genty et al., 2003. nature 421
Wang et al., 2008. nature 451
Sanbao/Hulu
Les études de géomorphologie de surface grâce à la datation des
spéléothèmes
La datation des dépots chimiques (spéléothèmes) donnent un age minimum de
l’enfoncement des rivières. Le niveau est peut-être atteint depuis plus
longtemps (plus ancien).
Quelques sites internet intéressants……
•
•
•
•
•
•
•
•
http://www.cwepss.org
http://water.usgs.gov/ogw/karst/index
http://www.speleogenesis.info
http://www.karstwaters.org/
http://edytem.univ-savoie.fr/
http://caverbob.com/
http://www.speleo.be/ubs/
http://www.speleo.vvs.be/
Bibliothèque de L’union belge de spéléologie:spécialisée
en littérature ‘karstique’. www.speleo.be/ubs
Journaux scientifiques
• International Journal of speleology http://www.ijs.speleo.it/
• Acta Carsologica - http://carsologica.zrc-sazu.si
• Journal of Cave and Karst Studies
http://www.caves.org/pub/journal/
• Karstologia http://publications.ffspeleo.fr/karstologia.php
• Cave and karst science – BCRA http://www.bcra.org.uk/pub/candks/
Références:
Le karst en général:
Ford D. and Williams P., 2007. Karst geomorphology and hydrology. Kluwer Academic,
Dordrecht, 562 p.
John Gunn ed, 2003. Encyclopedia of Caves and Karst Science. Routledge publications.
960pp.
Encyclopedia of Caves, 2004. David C. Culver (Editor), William B. White (Editor). Academic
Press 680p.
E. Gilli, 2011. Karstologie. Dunod.244p
Tout ce qui concerne les dépots chimiques en grottes:
Hill C.A. and Forti P., 1997a Cave minerals of the world. 2nd ed., National Speleological
Society, ed., 238p
Fairchild and Baker, 2012. Speleothems Science Wiley-Blackwell, 432p.
Les grottes en Belgique:
Quinif Y., 2010. Fantômes de roche et fantômisation. Karstologia Mémoires 18.
Luc Stevens et collectifs d’auteurs. La Belgique souterraine : Un monde fabuleux sous nos
pieds. 288p. Éd. Labor 2005
Quinif Y., 1977. Essai d'étude synthétique des cavites karstiques de Belgique.Revue Belge
de Géographie 101, fasc. 1 à 3: 115-173.
E.Van Den Broeck , E.-A. Martel & Ed.Rahir, 1910. Les cavernes et les rivière souterraines
de la Belgique - 2 tomes.
Ek C. 1976. Les phénomènes karstiques, 137-157, in Géomorphologie de la Belgique.
Hommage au Prof. P. Macar, ouvrage coordonné par A. Pissart, Liège, 224p.
Editors: Angel Ginés, Martin Knez, Tadej
Slabe, Wolfgang Dreybrodt
KARTS ROCK FEATURES
KARREN SCULPTURING
2009, 561 p., 20,5 × 27,5 cm, hardcover,
ISBN 978-961-254-161-3 (Carsologica 9).