Grand public

Qu’est-ce que le Karst ?

Le karst désigne d’une part les paysages typiques des régions calcaires, et d’autre part l’aquifère contenant des vides de grande dimension résultants de la dissolution chimique des roches carbonatées. Par extension, le karst désigne les roches perméables en grand, carbonatées et évaporitiques, dans lesquelles il y a des vides de quelques millimètres à plusieurs centaines de mètres, dont l’origine est liée à la dissolution (ou corrosion) chimique et/ou à l’érosion mécanique par l’écoulement de l’eau. L’aquifère karstique est donc une roche réservoir qui présente des propriétés particulières d’écoulement et de stockage de l’eau souterraine au sein des roches carbonatées, en lien avec la présence d’un réseau de conduits en 3 dimensions plus ou moins connectés. C’est un aquifère au fonctionnement hydrodynamique singulier. De plus, le karst est un milieu qui évolue au cours des temps géologiques ; certaines périodes sont propices au creusement (vertical ou horizontal) des vides, d’autres au contraire à leur colmatage. Le paysage actuel et la distribution des vides au sein de la roche karstique sont donc liés à l’histoire géologique, climatique et hydrologique de la région. Certains vides souterrains sont suffisamment grands pour que l’Homme les explore : on parle alors de réseau spéléologique. Ce réseau accessible à l’Homme ne constitue qu’une infime partie des vides existants.

Paysage karstique des Calanques de Marseille

Paysage karstique des Calanques de Marseille

Un conduit karstique formé par l’écoulement de l’eau en charge (les formes au plafond montrent un écoulement en zone noyée)

Un conduit karstique formé par l’écoulement de l’eau en charge (les formes au plafond montrent un écoulement en zone noyée)

Pourquoi les vides karstiques se creusent ?

Le processus de morphogenèse karstique est associé aux roches carbonatées (principalement les calcaires et dolomies) car celles-ci présentent une spécificité majeure : la roche carbonatée (formée de CaCO3) va être dissoute par l’eau qui s’écoule. Pour cela, il faut que l’eau soit acide, ce qui est généralement dû à l’activité biologique dans le sol (dégradation de la matière organique par les bactéries, respiration des végétaux) qui dégage du CO2 (dioxyde de carbone, anciennement nommé gaz carbonique). La teneur en CO2 dans l’air du sol peut dépasser 4%, soit plus de 100 fois la concentration de l’atmosphère extérieure (0,04% ou 400ppm, en augmentation du fait des activités humaines polluantes). Ainsi, dans le cycle de l’eau, l’eau de pluie (issue de l’évaporation) s’écoule à travers le sol et s’infiltre vers la profondeur en se chargeant en CO2. Cette eau souterraine devenue naturellement acide, circule dans les vides pré-existants de la roche (par exemple des fractures, des limites de strates géologiques…) et va dissoudre la roche formant petit à petit un vide de plus en plus grand. La roche dissoute passe sous forme d’ions dans l’eau, et la concentration en ions calcium (Ca2+) et hydrogénocarbonates (HCO3) dans l’eau augmente. C’est pour cela que l’eau dans les régions calcaires présente un faciès chimique bicarbonaté-calcique. Localement, en fonction des équilibres calco-carboniques, l’eau va perdre une partie de ses ions en déposant du calcaire sous forme de calcite (phénomène de précipitation solide). Quand ce phénomène a lieu dans les grottes, on parle alors de concrétions (ou spéléothèmes) aux formes variées (stalactites = qui tombe, stalagmite = qui monte, draperies, coulées sur les parois et les sols, gours = barrage naturel de calcaire avec une vasque en amont…). Ce phénomène de précipitation a lieu également dans les cours d’eau, sur certaines fontaines, ou dans votre chauffe-eau ou votre bouilloire quand ceux-ci s’entartrent !

Roche carbonatées contenant des fossiles de rudistes (urgonien des Calanques, Crétacé inférieur)

Roche carbonatées contenant des fossiles de rudistes (urgonien des Calanques, Crétacé inférieur)

Vide karstique formé par dissolution au sein de la roche carbonatée (urgonien de Port-Miou, Crétacé inférieur)

Vide karstique au sein de la roche carbonatée (urgonien de Port-Miou, Crétacé inférieur)

Stalactite pendant au plafond d’une grotte, avec sa goutte d’eau qui dépose petit à petit la calcite

Stalactite pendant au plafond d’une grotte, avec sa goutte d’eau qui dépose petit à petit la calcite

L’Ardèche a creusé son chemin à travers le plateau calcaire et a formé les gorges (ici un méandre)

L’Ardèche a creusé son chemin à travers le plateau calcaire et a formé les gorges (ici un méandre)

La fracturation du calcaire est reprise par la dissolution karstique, formant un lapiaz.

La fracturation du calcaire est reprise par la dissolution karstique, formant un lapiaz.

Le paysage typique des régions calcaires présente des gorges ou canyons, des dépressions (dolines, poljé), des escarpements, des grottes, des vides qui entaillent les dalles de calcaire fracturé (lapiaz ou lapié, gouffres ou avens). Il résulte de trois phénomènes principaux, liés à la nature carbonatée de la roche et à l’existence de zones fragiles (fractures, failles d’origine tectonique, ou strates originelles de la roche) : (1) La roche carbonatée (formée de CaCO3) va être dissoute par l’eau qui s’écoule. Ce processus a lieu en surface, et également en profondeur. (2) La roche fragilisée par son réseau de fractures ou de strates, éventuellement élargies par dissolution, s’écroule sous l’effet de la gravité. Le froid des périodes glaciaires ou des zones de montagne augmente la destruction par l’action du gel (la gélifraction). En zone côtière, la mer vient également saper les falaises par l’action des vagues. (3)  L’écoulement de l’eau par ruissellement lors des pluies entraine les matériaux déposés au sol vers le bas des pentes (transport sédimentaire continental).

Dans l’endokarst (karst souterrain), pas de vallée, mais des galeries ou conduits karstiques qui se forment au cœur de la roche. L’eau souterraine va circuler dans l’aquifère de la surface (zone de recharge ou d’infiltration) vers la profondeur à travers la zone non saturée de l’aquifère (appelée aussi zone vadose). C’est là que l’écoulement peut prendre la forme d’une rivière souterraine. Puis cette eau d’infiltration rencontre la nappe d’eau souterraine, qui forme une masse d’eau envahissant tous les vides de la roche. Cette nappe existe dans tous les types d’aquifères (poreux, fissuré, karstique), elle constitue une réserve en eau souterraine en quantité d’autant plus importante que l’aquifère se développe en profondeur, sous l’exutoire. Par exemple, à la Fontaine de Vaucluse, la source qui draine un bassin versant de plus de 1000 km², l’aquifère carbonaté existe jusqu’à plusieurs centaines de mètres de profondeur. Les sources sont également une caractéristique du karst : l’eau souterraine converge généralement vers un exutoire principal, la source, connectée à un réseau de conduits noyés traversant la nappe d’eau souterraine. La particularité de l’aquifère karstique réside dans l’existence de ces vides de tailles diverses, qui peuvent être vus comme un réseau de conduits karstiques très perméables au sein d’une matrice rocheuse plus ou moins poreuse et micro-fracturée. On parle souvent d’un modèle de fonctionnement à deux composantes majeures : matrice (écoulement lent) et conduits (écoulement rapide). Il en découle un fonctionnement hydrodynamique tout à fait particulier : grâce au réseau de conduits, l’eau peut circuler à grande vitesse ; les pluies provoquent alors des réactions rapides de variation du niveau d’eau au sein de l’aquifère, qui se transforment en fortes variations de débit aux sources.

Schéma d’un aquifère karstique (N. Goldscheider)

Schéma d’un aquifère karstique (N. Goldscheider)

Aven-perte de la Barrelle sur le causse Méjean. Durant les fortes pluies, le gouffre absorbe l’eau de ruissellement et se transforme en perte karstique.

Aven-perte de la Barrelle sur le causse Méjean. Durant les fortes pluies, le gouffre absorbe l’eau de ruissellement et se transforme en perte karstique.

Forme karstique : Cénote (nappe d’eau souterraine au fond d’un gouffre d’effondrement à proximité du niveau marin)

Forme karstique : Cénote (nappe d’eau souterraine au fond d’un gouffre d’effondrement à proximité du niveau marin)

La source : un élément majeur de l’hydrosystème karstique vers où convergent les écoulements souterrains

La source : un élément majeur de l’hydrosystème karstique vers où convergent les écoulements souterrains

La plus importante source karstique de France : la Fontaine de Vaucluse

La plus importante source karstique de France : la Fontaine de Vaucluse

Une réaction rapide du karst aux pluies : exemple de variations de hauteur d’eau jusqu’à 20 mètres en quelques heures

Une réaction rapide du karst aux pluies : exemple de variations de hauteur d’eau jusqu’à 20 mètres en quelques heures

La source de trop-plein du Ragas de Dardennes, sans eau (à gauche) et en crue (à droite)

La source de trop-plein du Ragas de Dardennes, sans eau (à gauche) et en crue (à droite)

Pourquoi s’intéresser au karst ?

Les roches carbonatées à l’affleurement représentent environ 50% de la surface de la France métropolitaine (Chen et al. 2016, lien vers la carte Wokam). Elles sont largement représentées autour de la Méditerranée et dans de nombreux pays du Monde. À l’échelle de la France métropolitaine, la ressource en eau souterraine est cruciale pour l’alimentation en eau potable, les usages industriels et l’irrigation (>50% des prélèvements en 2013 – lien). Les aquifères karstiques constituent généralement la ressource en eau potable locale principale sur ces zones carbonatées (nombreuses agglomérations, comme par exemple Montpellier). Les roches carbonatées sont également une matière première minérale indispensable, à la base de la construction (matériaux et ciment). Et dans un monde qui exploite actuellement les ressources fossiles, les roches carbonatées renferment des réserves en gaz et en hydrocarbures. L’existence des vides karstiques va complexifier l’exploitation des ressources (fluides ou minérales), nécessitant de développer des méthodes d’études spécifiques à ces milieux karstiques hétérogènes pour comprendre et anticiper leur fonctionnement hydrodynamique ainsi que l’organisation des vides en 3D. Par exemple, pour l’exploitation d’eau souterraine, il est indispensable de tenir compte de la répartition hétérogène de l’eau dans le complexe matrice/conduits. L’eau souterraine peut alors être captée dans la zone non saturée, ou dans la nappe au sein de la matrice ou dans le réseau de conduits, ou directement à la source.

Le milieu souterrain dans les roches non karstiques se limite bien souvent à l’existence potentielle d’une nappe d’eau souterraine, ou de ressources minérales. L’existence des vides souterrains de grande dimension dans le karst offre une gamme d’intérêts supplémentaires, qui nécessitent des études spécialisées : (1) Les connexions hydrauliques rapides entre la zone de recharge par les pluies et les sources peuvent accentuer la génération de crues éclair dans les rivières par déversement de l’eau du karst (relation surface – souterrain) ; (2) Les vides souterrains sont également des archives du passé, ayant enregistrées le climat et les variations des niveaux de base (mer ou rivières) ; (3) Certaines grottes abritent sur leurs parois ornées et sur leurs sols des vestiges de la présence humaine ; (4) Une biodiversité, rare mais très spécifique, existe également dans les vides karstiques ; (5) Les vides souterrains sont au cœur du risque naturel d’effondrement… Enfin, l’étude du karst participe à l’amélioration de nos connaissances sur notre environnement, aussi bien pour la compréhension de phénomènes bio-physico-chimiques, que pour l’observation des changements passés, actuels et futurs.

Carte des roches carbonatées à l’affleurement en France et localisation des sites observatoires du SNO Karst

Carte des roches carbonatées à l’affleurement en France et localisation des sites observatoires du SNO Karst