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Les vermiculations de la grotte Wilson (Lac la Pêche, Québec, Canada). Contexte morpho-climatique, analyses sédimentologiques et distribution spatiale

The vermiculations of the Wilson cave (La Pêche lake, Québec, Canada). Morphoclimatic context, sedimentological analysis and spatial distribution
Benoit Faucher et Bernard Lauriol
p. 95-103

Résumés

Le but de cet article est d’examiner la nature et la distribution des vermiculations dans une grotte de la province géologique de Grenville située à la limite est du bouclier canadien. Il s’agit de la première étude sur cette question, au Canada, et plus spécifiquement dans la région de la forêt mixte laurentienne. Les résultats indiquent que ces vermiculations ont une texture qui n’est pas différente du matériel inter-vermiculaire et du matériel meuble qui couvre le plancher et les parois. Ces vermiculations ont des tailles variables, et leur grand axe a parfois tendance à être orienté suivant l’axe de la galerie, ou perpendiculairement par rapport à celle-ci. On suggère que le matériel de ces vermiculations provient des particules qui couvrent le plancher de la caverne. Ces particules sont soulevées dans l’air par le passage des animaux. Elles se déposent ensuite sur les parois, où elles s’agglomèrent. Cette agglomération se fait sous l’influence de l’écoulement de l’air et de l’eau. La présence des vermiculations de la caverne Wilson, ainsi que celle de l’eau contenue dans celles-ci expliquent en partie la dissolution du marbre sur lequel elles sont construites.

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Notes de la rédaction

Article soumis le 12 juin 2015, accepté le 12 janvier 2016.

Texte intégral

1. Introduction

1Les vermiculations sont des dépôts minces, irréguliers et discontinus de matériaux incohérents qui se retrouvent parfois sur les parois des grottes. Elles ont aussi été signalées dans une multitude de lieux souterrains comme les caves d’habitations et les cryptes d’églises (Hill et Forti, 1997). Au moins huit catégories de vermiculations ont été identifiées par Parenzan (1960) : pois fins, pois moyens, pois grossiers, pois ovales (allongés), léopards, anastomosées, hiéroglyphiques et dendritiques. En dépit de cette diversité, les vermiculations offrent beaucoup de similarité d’un site à l’autre (Bini et al., 1978 ; Hedges, 1993). Elles ont, en effet, des dimensions assez constantes : leur longueur excède rarement quelques cm, leur épaisseur et leur largeur sont inférieures à 10 mm. Le matériel qui les compose est mal consolidé : il s’agit d’une accumulation de particules de la taille de limons et d’argiles souvent riches en détritus organiques. Il arrive qu’elles soient entourées d’une auréole de couleur plus claire produite par la roche délavée. Au-delà de cette auréole, on retrouve une zone de particules disposées en fine couche qu’on qualifie d’inter-vermiculaire.

2Bini et al. (1978) ont proposé une hypothèse – qui reste, de nos jours, la plus connue - pour expliquer l’organisation des vermiculations sur les parois des cavernes et d’autres lieux souterrains. Selon ceux-ci, la couche inter-vermiculaire a échappé aux forces d’eau pelliculaires qui couvrent occasionnellement les parois. Issue d’une inondation, ou encore de la condensation ou de la percolation, l’eau pelliculaire entraine, par rétraction lors des périodes d’assèchement, les particules qui couvrent les parois. Les particules s’agglomèrent alors pour former les vermiculations (fig. 1).

Fig. 1 – Genèse des vermiculations selon le modèle de Bini et al. (1978).
Fig. 1 – Genesis of vermicular patterns under the Bini et al. (1978) model.

Fig. 1 – Genèse des vermiculations selon le modèle de Bini et al. (1978).Fig. 1 – Genesis of vermicular patterns under the Bini et al. (1978) model.

I/ eau pelliculaire dans laquelle baignent des sédiments ; II/ formation d’un noyau concentrique dans une dépression millimétrique du marbre imputable à l’assèchement progressif de la paroi et attraction de l’eau pelliculaire vers le noyau ; III/ genèse d’une vermiculation (A), d’une auréole vermiculaire (B) et d’une zone inter-vermiculaire (C).
I/ pellicular water containing sediments; II/ formation of a concentric nucleus due to the progressive drying of the wall and attraction of pellicular water towards the nucleus; III/ formation of a vermiculation (A), its’s surrounding halo (B) and the inter-vermicular zone (C).

3Pour leur part, Boston et al. (2009) ont utilisé une modélisation d’automates cellulaires pour montrer que l’organisation spatiale de celles-ci pourrait s’expliquer par un processus biogénique et ce, lorsque des biofilms et une biomasse importante sont présente. En effet, ceux-ci ont conclu qu’il existe une synergie complexe entre les interactions biologiques, chimiques et physiques, au sein de l’eau pelliculaire de parois. Ceux-ci ont aussi déterminé que la viscosité de l’eau pelliculaire, la texture pariétale et la nature sédimentologique des particules qui constituent les vermiculations jouent aussi un rôle important dans l’organisation spatiale de ces dernières. Hoerlé et al. (2011) ont aussi émis l’hypothèse qu’une agrégation biologique pourrait être à l’origine de la genèse de ces dépôts ; celle-ci est basée sur la détection, au microscope à balayage électronique (MEB), de filaments de calcite et de fragments amorphes de carbone au sein de vermiculations de la caverne Lascaux, en France. D’autres travaux, dont ceux de Camassa et Febbroriello (2003), Viehmann (2004), Johnes et al. (2008), Nováková (2009), Vidal (2010) et Bojar et al. (2015) montrent aussi que la dissolution et les courants d’air jouent un rôle dans l’édification des vermiculations. En dépit des études mentionnées précédemment, les vermiculations restent un type de dépôts peu étudié, et ce, notamment au Canada.

2. La grotte Wilson

4La grotte Wilson (45o 32’ 52’’ N, 76o 10’ 40’’ O) est une grotte fossile. Elle se trouve à 30 m au-dessus des rives du lac la Pêche (fig. 2), dans le parc de la Gatineau (Québec, Canada). Elle est creusée dans le marbre précambrien de Grenville. L’âge de la cavité est probablement antérieur à la glaciation laurentidienne qui a couvert la région au Wisconsinien supérieur, jusqu’à environ 11 000 ans BP (Dyke, 2004). Comme la caverne ne se développe qu’à moins de 5 m sous la surface, plusieurs racines d’arbres pendent au plafond des galeries. Il s’agit de racines d’ormes, de chênes et d’érables qui sont les espèces dominantes dans la région. Cette végétation est en équilibre avec un climat continental.

Fig. 2 – Localisation géographique de la grotte Wilson.
Fig. 2 – Geographic location of the Wilson cave.

Fig. 2 – Localisation géographique de la grotte Wilson.Fig. 2 – Geographic location of the Wilson cave.

La ligne rouge indique les limites du parc de la Gatineau et l’étoile indique la localisation de la grotte Wilson.
The red line indicates the Gatineau Park limits and the star shows the location of the Wilson cave.

5La température moyenne en janvier est de -11 °C et les précipitations neigeuses atteignent 70,6 mm. Les étés sont chauds et ponctués de violents orages. En juillet, la température moyenne est de 20,6 °C et les précipitations sont de 91,3 mm (Environnement Canada, 2015). La grotte s’ouvre par un puits étroit de 2 m de profondeur, qui se prolonge par un passage horizontal semi-circulaire de 50 cm de hauteur et de 10 m de longueur. Ce passage débouche sur une galerie rectiligne et horizontale de 60 m de longueur, 2 m de hauteur et 1,5 m de largeur, en moyenne (fig. 3).

Fig. 3 – Vue en plan et coupes transversales (silhouette humaine mesurant environ 1,7 m) de la grotte Wilson (adapté du guide de rassemblement spéléo de la Société Québécoise de Spéléologie, 2006).
Fig. 3 – Plan view and transverse cross sections (human silhouette has an approximate height of 1.7 m) of the Wilson cave (adapted from the Québec Speleological Society gathering handbook of the Wilson cave, 2006).

Fig. 3 – Vue en plan et coupes transversales (silhouette humaine mesurant environ 1,7 m) de la grotte Wilson (adapté du guide de rassemblement spéléo de la Société Québécoise de Spéléologie, 2006).Fig. 3 – Plan view and transverse cross sections (human silhouette has an approximate height of 1.7 m) of the Wilson cave (adapted from the Québec Speleological Society gathering handbook of the Wilson cave, 2006).

Les chiffres indiquent les sites échantillonnés, selon leur distance de l’entrée de la grotte (1 = 5 m ; 2 = 10 m ; 3 = 15 m ; 4 = 20 m ; 5 = 25 m ; 6 = 30 m ; 7 = 38 m ; 8 = 50 m).
Numbers indicate sampled sites, in reference to their distance to the cave’s entrance (1= 5 m; 2= 10 m; 3= 15 m; 4= 20 m; 5= 25 m; 6= 30 m; 7= 38 m; 8= 50 m).

6Les vermiculations couvrent environ 90 à 95 % de la surface des parois (fig. 4). Elles s’apparentent exclusivement aux morphologies hiéroglyphiques et dendritiques proposées par Parenzan (1960).

Fig. 4 – Tapissage de 90 % à 95 % des parois la grotte Wilson par des vermiculations (site n° 3).
Fig. 4 – Vermiculations occupying 90% to 95% of the Wilson cave walls (site # 3).

Fig. 4 – Tapissage de 90 % à 95 % des parois la grotte Wilson par des vermiculations (site n° 3).Fig. 4 – Vermiculations occupying 90% to 95% of the Wilson cave walls (site # 3).

7Observées in situ au moyen d’une loupe (4 x) et en laboratoire à partir de photographies stéréoscopiques, on remarque que plusieurs vermiculations sont installées dans des chenaux millimétriques, comme Camassa et Febbroriello (2003) l’ont noté dans les grottes italiennes de Frasassi. L’observation de détail permet aussi de remarquer que la surface des vermiculations est une suite irrégulière de petits monticules alignés comme si chacune avait été édifiée indépendamment (fig. 5). Leurs versants sont raides et le contact à la base avec l’auréole qui les borde est brutal. L’auréole périphérique montre des cristaux de marbre à la surface délavée. La zone inter-vermiculaire est couverte d’une très mince couche de sédiments limoneux plus ou moins humide.

Fig. 5 – Vue détaillée d’une vermiculation de la grotte Wilson (site n° 6).
Fig. 5 – Detailed view of one of the Wilson cave’s vermiculations (site # 6).

Fig. 5 – Vue détaillée d’une vermiculation de la grotte Wilson (site n° 6).Fig. 5 – Detailed view of one of the Wilson cave’s vermiculations (site # 6).

3. Objectifs et méthodes

8Le prélèvement des sédiments fut possible grâce à l’utilisation de spatules et tubes en verre ; les spatules furent utilisées pour échantillonner le matériel pariétal, ou bien celui présent au sol, tandis que les tubes ont été utilisés pour transporter ces matériaux. Les mesures morphométriques des vermiculations, les mesures climatiques et le prélèvement de sédiments ont été fait en février, mars et avril 2014. Cette période a été retenue, car on remarque que la circulation de l’air et de l’eau est plus dynamique pendant l’hiver et le printemps. En été, l’atmosphère de la grotte est statique : la température y avoisine les 12 o C et l’humidité relative de l’air (HR) est environ de 80 %, les courants d’air sont faibles ou absents et les pellicules d’eau (issues de l’infiltration ou de la condensation) disparaissent sur les parois, en cette saison. Les échantillons de sédiments inter-vermiculaires, vermiculaires et de ceux qui recouvrent le plancher de la caverne ont été soumis à des mesures de granulométrie au moyen du granulomètre laser Microtrac 3500. Leur teneur en eau, leur poids en matières organiques sèches et leur teneur en carbonates ont été mesurées suivant des techniques conventionnelles (Heiri et al., 2001). Avant chaque analyse, le matériel (vermiculaire, inter-vermiculaire et celui au sol) a été observé au moyen d’une loupe binoculaire (50 x) et parfois au moyen d’un microscope à balayage électronique (sur les échantillons qui paraissaient les plus représentatifs). L’objectif de ces observations et mesures était de vérifier si les vermiculations avaient une composition homogène à travers toute la caverne et de vérifier s’il existait des différences sédimentologiques entre les vermiculations, le matériel inter-vermiculaire et les sédiments meubles du sol de la caverne. Un Kestrel 3000 et un thermomètre infrarouge Dostmam Flash III ont été utilisés pour les mesures de températures, d’HR et d’humidité de la roche afin de déterminer s’il y avait une corrélation entre les données microclimatiques, l’orientation, la taille et la densité des vermiculations. Les courants d’air présents à l’entrée de la caverne n’étaient pas assez forts pour être enregistrés par les appareils mais ils étaient néanmoins perceptibles dans la zone la plus étroite (resserrement entre les n° 6 et 7 de la figure 3). Un relevé cartographique et morphométrique des vermiculations, par application d’un calque transparent sur celles-ci, et un traçage détaillé au crayon feutre de chacune des vermiculations, a permis de mesurer la densité, la dimension et l’orientation des vermiculations sur différents sites. Les calques ont été ensuite numérisés et l’orientation de leurs axes a été déterminée au moyen du logiciel ArcMap, à partir de la transformation des polygones vermiculés en rectangle, par la fonction minimum bouding geometry et ensuite grâce à la fonction calculate polygon main angle. Les résultats ont ensuite été transposés sur un diagramme de rose à l’aide du logiciel Stéréo.

4. Résultats

4.1. Sédimentologie et minéralogie

9La matière organique en décomposition dans la caverne est abondante sur le plancher. Il s’agit d’ossements, d’excréments et surtout des détritus végétaux (morceaux de bois et feuilles en décomposition). Ce matériel est mélangé à la fraction minérale par le passage fréquent du porc-épic d’Amérique (Erethizon dorsata) et du raton laveur (Procyon lotor), lesquels fréquentent les forêts et les cavernes de la région depuis au moins 5 000 ans (Lauriol et al., 2003 ; Harington, 2011). Le poids de matière organique mesuré sur la fraction granulométrique inférieure à 0,5 mm diminue de l’entrée (14 %) vers le fond, où il représente 9,64 % du poids total de l’échantillon à sec (fig. 6).

Fig. 6 – Résultats du test de perte au feu (PAF) des matériaux secs (séchés à 105°C pendant 24 heures) vermiculaires (bleu), inter-vermiculaires (vert) et des sédiments meubles (noir) du sol de la caverne.
Fig. 6 – Results from the loss on ignition (LOI) test for the dry (dried at 105°C for 24h) vermicular material (blue), dry inter-vermicular material (green) and dry loose ground sediments (black).

Fig. 6 – Résultats du test de perte au feu (PAF) des matériaux secs (séchés à 105°C pendant 24 heures) vermiculaires (bleu), inter-vermiculaires (vert) et des sédiments meubles (noir) du sol de la caverne.Fig. 6 – Results from the loss on ignition (LOI) test for the dry (dried at 105°C for 24h) vermicular material (blue), dry inter-vermicular material (green) and dry loose ground sediments (black).

Le poids en matière organique est représenté par des triangles et celui en carbonates par des carrés.
The organic matter content is represented by triangles and the carbonate content is represented by squares.

10Le pourcentage du poids sec en matières organiques des vermiculations et des inter-vermiculations sur les parois et au plafond est similaire à celui mesuré dans les sédiments du plancher : 10 % à 20 % du poids total sec. Par ailleurs, on note la même tendance spatiale à partir des sites mesurés : le poids en matières organiques dans les vermiculations et dans les sédiments inter-vermiculaires tend à diminuer vers le fond. L’homogénéité minéralogique du matériel fin dans la caverne est confirmée par l’observation à la loupe binoculaire. En effet il s’agit toujours et uniquement de fragments de feldspaths, de marbre, de charbons de bois, de détritus végétaux plus ou moins décomposés et de poils. L’observation au microscope à balayage électronique (MEB, fig. 7) révèle une forte concentration en carbonates de calcium (CaCO3, CaMg(CO3)2, CaFe(CO3)2) et en tectosilicates (plagioclase et feldspath alkalin). Le même résultat a été observé quel que soit le type d’échantillons, en plus de quelques inosilicates (amphiboles), nésosilicates et oxydes ferreux. L’observation indique aussi que le matériel fin qui compose les vermiculations est plus compacté que celui des inter-vermiculations et du matériel au sol. L’analyse au MEB ne reflète aussi aucun indice particulier d’activité bactérienne ou d’altération biogénique des particules retrouvées au sein des vermiculations.

Fig. 7 – Observation au microscope à balayage électronique (MEB) du matériel vermiculaires (A), du matériel inter-vermiculaires (B) et des sédiments retrouvés au sol (C), dans la grotte Wilson (respectivement prélevés sur les sites n° 6, 3 et 4).
Fig. 7 – Electron microscopic observations of vermicular material (A), inter-vermicular material (B) and loose ground sediments (C) from the Wilson cave (sampled respectively at sites # 6, 3 and 4).

Fig. 7 – Observation au microscope à balayage électronique (MEB) du matériel vermiculaires (A), du matériel inter-vermiculaires (B) et des sédiments retrouvés au sol (C), dans la grotte Wilson (respectivement prélevés sur les sites n° 6, 3 et 4).Fig. 7 – Electron microscopic observations of vermicular material (A), inter-vermicular material (B) and loose ground sediments (C) from the Wilson cave (sampled respectively at sites # 6, 3 and 4).

11L’analyse granulométrique sur les sédiments inorganiques inférieurs à 1 mm de diamètre ne montre pas de différences significatives entre le matériel vermiculaire et celui des autres sédiments de la grotte (fig. 8). Il s’agit des sédiments limoneux à très faible proportion d’argile granulométrique, de distribution gaussienne, avec un triage qui semble se dégrader à fur et à mesure qu’on progresse vers le fond du corridor (moyen à très mauvais). Les sédiments vermiculaires et inter-vermiculaires sont généralement distribués selon une asymétrie vers les particules fines ce qui indique un léger triage. Par contre, les sédiments meubles du plancher sont distribués symétriquement, ce qui témoigne d’une absence de triage.

Fig. 8 – Résultats de l’analyse granulométrique des échantillons vermiculaires (lignes pleines), inter-vermiculaires (gros pointillés) et des sédiments meubles du sol de la caverne (petits pointillés).
Fig. 8 – Results from the grain size analysis of vermicular materials (solid lines), inter-vermicular materials (large dotted lines) and loose ground sediments (small dotted lines).

Fig. 8 – Résultats de l’analyse granulométrique des échantillons vermiculaires (lignes pleines), inter-vermiculaires (gros pointillés) et des sédiments meubles du sol de la caverne (petits pointillés).Fig. 8 – Results from the grain size analysis of vermicular materials (solid lines), inter-vermicular materials (large dotted lines) and loose ground sediments (small dotted lines).

L’échelle de gauche indique la distance (en mètres) de l’entrée de la caverne. Les losanges indiquent les sites de mesure.
The scale on the left on the left side of the figure indicates the distance (in meters) from the entrance of the cave. Diamonds indicate sampling sites.

4.2. Températures et humidité

12Compte tenu que les mesures ont été prises durant l’hiver, la température de l’air augmente de l’entrée vers l’intérieur. À 5 m de l’entrée, la température moyenne est proche de -2 °C ; cette température favorise la formation de stalactites de glace issues de la percolation, de givre issu de la condensation et de quelques pipkrakes formés d’eau capillaire (Lauriol et Bertrand, 2014). À 15 m de l’entrée, la température moyenne est de 3 °C. Au-delà, la température s’élève progressivement en direction du fond de la cavité où elle est de 6 °C : celle-ci correspond à la température moyenne régionale annuelle (6,3 °C ; Environnement Canada, 2015). Une distribution spatiale et une variation temporelle similaire de la température ont été observées dans la caverne de l’Ours, à 30 km au nord-est d’Ottawa (Lacelle et al., 2004). L’humidité relative de l’air (HR) est proche de 85 % dans l’ensemble de la caverne en hiver. Au plafond (entre 0,5 m et 2 m du plancher) et dans les petites cheminées, les valeurs sont proches de 98 %. Sur le plancher, au pied des parois et près de l’entrée, les valeurs s’abaissent à moins de 75 %. Ces variations d’HR sont similaires à celles observées sur les parois : les zones à faible HR, uniquement situées au bas de quelques parois, sont sèches alors que les zones avec une HR proche de la saturation sont parfois couvertes par un mince film d’eau (moins d’un demi-millimètre d’épaisseur). Cette eau provient de la condensation et /ou de la percolation au plafond, surtout à la période de la fonte du couvert neigeux de la forêt sus-jacente. Les surfaces en contact avec un air ayant une HR d’environ 80 % sont très majoritaires (environ 90 à 95 % du total de la surface). L’observation à la loupe n’indique que de minuscules gouttelettes d’eau souvent hémisphériques. Ces surfaces sont toutes couvertes de vermiculations bien formées. Ces vermiculations ont les mêmes teneurs en eau (56,8 %), que les sédiments inter-vermiculaires (56,3 %) et ceux du sol (63,5 %). Dans le détail, le secteur situé entre 15 et 25 m de l’entrée, qui correspond à un secteur surmonté de petites cheminées, montre la teneur en eau des sédiments la plus élevée (50-63 %). Ces petites cheminées favorisent la condensation et la percolation dans la grotte Wilson, comme c’est aussi le cas à la caverne de l’Ours (Lacelle et al., 2004).

4.3. Distribution

13Sur une même paroi, le contact entre les zones de vermiculations et les zones sans vermiculations est bien défini (fig. 9). Il correspond à une ligne en deçà de laquelle la paroi est trop sèche pour que les vermiculations puissent se former.

Fig. 9 – Ligne hygrométrique (en bleu) sous laquelle la paroi est trop sèche pour permettre la formation de vermiculations (site n° 7).
Fig. 9 – Hygrometric line (blue) under which the cave walls are too dry to allow the formation of vermiculations (site # 7).

Fig. 9 – Ligne hygrométrique (en bleu) sous laquelle la paroi est trop sèche pour permettre la formation de vermiculations (site n° 7).Fig. 9 – Hygrometric line (blue) under which the cave walls are too dry to allow the formation of vermiculations (site # 7).

14À 15 m de l’entrée, le nombre de vermiculations par mètre carré dans la caverne est maximal (4 875 vermiculations / m2, fig. 10). À cet endroit, les vermiculations sont aussi les plus petites. Ensuite, la densité diminue jusqu’au site le plus au fond (50 m) : 2 333 vermiculations / m2. Les plus grosses vermiculations s’observent à cette distance de l’entrée. La baisse du nombre de vermiculations n’est cependant pas régulière : la densité vermiculaire augmente entre le site localisé à 38 m de l’entrée et celui qui est le plus au fond du transect (50 m). Au plafond, la densité vermiculaire la plus élevée est évaluée à 3 975 vermiculations par m2 (15 m) ; la plus faible est estimée à 2 272 vermiculations par m2 (38 m). Tout comme la densité des vermiculations retrouvées sur les parois, celle des vermiculations au plafond diminue irrégulièrement vers le fond de la caverne.

Fig. 10 – Densité vermiculaire (Nb/m2) pariétale (noir) et des plafonds (bleu).
Fig. 10 – Vermicular density (no./m2) for the walls (black) and ceiling (blue) of the Wilson cave.

Fig. 10 – Densité vermiculaire (Nb/m2) pariétale (noir) et des plafonds (bleu). Fig. 10 – Vermicular density (no./m2) for the walls (black) and ceiling (blue) of the Wilson cave.

15Le grand axe des vermiculations pariétales est orienté parallèlement ou perpendiculairement par rapport au sol (fig. 11). Ces patrons vermiculaires suivent ces deux axes majeurs entre des distances de 10 et 38 m de l’entrée de la caverne. Les patrons vermiculaires des murs situés à 38 m de l’entrée ne suivent pas la même tendance d’orientation que ceux des sites proches de l’entrée.

Fig. 11 – Orientation des grands axes vermiculaires (classes de 10º) pariétales, selon la distance de l’entrée : (a) 10 m ; (b) 15 m ; (c) 20 m ; (d) 25 m ; (e) 30 m ; (f) 38 m ; (g) 50 m.
Fig. 11 – Orientation of the major axis of the vermiculations found on the walls (10° categories), according to the distance from the entrance of the cave: (a) 10 m; (b) 15 m; (c) 20 m; (d) 25 m; (e) 30 m; (f) 38 m; (g) 50 m.

Fig. 11 – Orientation des grands axes vermiculaires (classes de 10º) pariétales, selon la distance de l’entrée : (a) 10 m ; (b) 15 m ; (c) 20 m ; (d) 25 m ; (e) 30 m ; (f) 38 m ; (g) 50 m.Fig. 11 – Orientation of the major axis of the vermiculations found on the walls (10° categories), according to the distance from the entrance of the cave: (a) 10 m; (b) 15 m; (c) 20 m; (d) 25 m; (e) 30 m; (f) 38 m; (g) 50 m.

16L’orientation des vermiculations du plafond de la grotte varient d’un site à l’autre. À 15 m de l’entrée, elles s’orientent préférentiellement selon une seule direction tandis que les vermiculations au plafond des autres sites semblent orientées aléatoirement (fig. 12).

Fig. 12 – Orientation des grands axes vermiculaires (classes de 10°) du plafond, selon la distance de l’entrée : (a) 15 m ; (b) 20 m ; (c) 30 m ; (d) 38 m.
Fig. 12 – Orientation of the major axis of the Wilson cave vermiculations found on the ceiling (10° categories), according to the distance from the entrance of the cave: (a) 15 m; (b) 20 m; (c) 30 m; (d) 38 m.

Fig. 12 – Orientation des grands axes vermiculaires (classes de 10°) du plafond, selon la distance de l’entrée : (a) 15 m ; (b) 20 m ; (c) 30 m ; (d) 38 m.Fig. 12 – Orientation of the major axis of the Wilson cave vermiculations found on the ceiling (10° categories), according to the distance from the entrance of the cave: (a) 15 m; (b) 20 m; (c) 30 m; (d) 38 m.

5. Discussion

17D’après les analyses, il n’existe pas de différences dans l’hygrométrie et les caractères granulométriques et lithologiques des sédiments de la grotte, en fonction de leur situation topographique : le matériel amorphe du plancher possède les mêmes caractères physico-chimiques que ceux des vermiculations et des inter-vermiculations. En effet, la mise en suspension aérienne des particules fines du plancher va permettre à celles-ci de se retrouver sur les parois. Le fait qu’il y ait moins de matières organiques au fond de la caverne qu’à proximité de l’entrée est lié à la distribution des détritus végétaux au sol : ils se raréfient dans les parties profondes. Le passage des animaux, notamment des ratons laveurs et des porcs épics, contribue au soulèvement des particules fines du sol (fig. 13). Si certaines de ces particules se déposent directement sur les parois, les plus fines sont mélangées à la vapeur d’eau, ce qui conduit à la formation d’aérosols naturels qui peuvent être transportées un peu plus loin que les simples poussières. La présence d’aérosols dans les cavernes de la région a été décrite par Lacelle et al. (2004, 2009) et photographiée par Lauriol et Bertrand (2014).

Fig. 13 – Ossements de troglobies.
Fig. 13 –Troglophile animal remains.

Fig. 13 – Ossements de troglobies.Fig. 13 –Troglophile animal remains.

18Cette étude a permis de mettre en évidence une assez bonne corrélation entre la taille des vermiculations et l’humidité des parois de la grotte : les parois les plus humides de la caverne sont celles où on observe les plus grosses vermiculations, tandis que celles qui le sont moins possèdent des vermiculations de plus petite taille (fig. 14). Cette constatation renforce et précise le modèle de Bini et al. (1978). D’après ce modèle, l’eau sur les parois permettrait, sous l’effet des attractions pelliculaires, la migration et l’agglomération des particules minérales et organiques. Les noyaux initiaux de concentration seraient les dépressions millimétriques de la surface rocheuse, lesquelles concentreraient et attireraient l’eau pelliculaire. Cependant, dans le détail, l’eau sur la surface des parois est plus ou moins abondante. Cet aspect est fondamental. Il explique les différences notables dans la taille des vermiculations : celle-ci augmente dans les zones les plus humides et diminuent dans les zones les moins humides. Leur densité par unité de surface suit le même modèle : elles sont plus nombreuses dans les zones moins humides car sujettes à de moins fortes attractions capillaires.

Fig. 14 –Volume des vermiculations (mm3) et HR dans la grotte.
Fig. 14 – Vermiculations’s volume (mm3) and RH inside the cave.

Fig. 14 –Volume des vermiculations (mm3) et HR dans la grotte.Fig. 14 – Vermiculations’s volume (mm3) and RH inside the cave.

19Un second apport de cette étude concerne l’orientation du grand axe des vermiculations. Dans plusieurs sites mesurés, il existe en effet une orientation dominante. Elle n’est pas en relation avec la taille et l’humidité des parois mais plutôt potentiellement avec la direction des courants d’air. En effet, la circulation aérienne de la grotte est telle que les courants d’air y sont nécessairement plus forts à l’entrée de la cavité, comparativement au fond de celle-ci, durant l’hiver et le printemps (périodes durant lesquelles il y a une différence notable entre la température de l’air de la grotte, comparativement à celle de l’air ambiant externe). Cette perte d’intensité, vers le fond de la grotte, pourrait aussi expliquer pourquoi les vermiculations n’ont pas d’orientations dominantes, au fond de celle-ci. Leur grand axe est en fait parallèle ou perpendiculaire à la direction du déplacement de l’air. Cependant, l’effet de la ventilation qui a été aussi soulignée par Williams et al. (2010), paraît être contrarié par celui de la gravité : ces vermiculations (qui ont un poids total variant entre quelques grammes à quelques dizaines de grammes) ont tendance à avoir leurs grands axes parallèles ou perpendiculaires au plancher sur les parois verticales qui dominent ceux-ci. L’angle d’inclinaison des parois ne semble toutefois pas donner de préférence particulière à l’orientation du grand axe de ces dernières. Pour leur part, les vermiculations présentes sur les plafonds horizontaux n’ont pas d’orientation dominante. Les analyses granulométriques montrent également que le matériel est moins bien trié dans cette zone. D’ailleurs, le triage des sédiments est plus marqué dans les zones plus ventilées qui sont aussi celles dont les vermiculations sont les plus orientées.

6. Conclusion

20Cette étude est une contribution à la connaissance des vermiculations, notamment à leur distribution spatiale au sein d’une cavité assez peu fréquentée hormis par les animaux sauvages. Les quelques autres grottes de la région de l’Outaouais possédaient aussi de nombreuses vermiculations, si on en juge par d’anciennes photos, mais la majorité d’entre elles ont été détruites par les visiteurs. La préservation et la protection de ces sites endokarstiques est assurée par la Commission de la capitale nationale (CCN), qui en interdit l’accès public pour éviter la propagation du syndrome du museau blanc chez les populations de chauves-souris de la région. Les vermiculations sont des dépôts très fragiles mais qui semblent être en mesure de se reformer assez rapidement si les conditions hydriques et sédimentologiques le permettent. Ainsi, à la Caverne Laflèche, la plus importante de la région (Schroeder et Desmarais, 1988 ; Lauriol et Bertrand, 2014), des vermiculations se sont formées ponctuellement dans un tunnel artificiel creusé dans les années 1950. Pour cette raison, serait-il envisageable d’effacer sur de petites surfaces de 10 cm2, les vermiculations présentes dans la grotte Wilson et de suivre leur évolution, par photogrammétrie, pendant quelques années ?

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Annexe

Abridged English version

Vermiculations are thin, irregular and discontinuous deposits of unconsolidated material found on cave walls and inside many underground passages (Hill et Forti, 1997). The material that constitutes these vermiculated patterns is generally a mix of silt and clay sized particles (Bini et al., 1978). Bini et al. (1978) proposed a model (still popular), for the genesis of vermiculations which relies on the pellicular water attraction of sediments during drying episodes of cave walls (fig. 1). Many authors have also indicated that bacterial activity, air circulation and chemical weathering can play a vital role in the growth of the vermiculations (Hoerlé et al., 2011; Boston et al., 2009; Camassa et Febbroriello, 2003; Viehmann, 2004; Becker, 2006; Johnes et al., 2008; Nováková, 2009; Vidal, 2010; Bojar et al., 2015).

The Wilson cave (fig. 2) is a marble fossil cave located 30 m above the southern edge of the La Pêche Lake (Québec, Canada). Its entrance is a 2 meters deep vertical passage that leads into a semi-circular passage of approximately 50 cm of height and 10 m of length. This passage then leads to a rectilinear and horizontal gallery (60 m in length, 2 m of height and 1.5 m of width; fig. 3). This endokarstic site is of particular interest in the study of vermiculations since approximately 90 to 95% of its walls are covered by hieroglyphic and dendritic vermiculations (fig.4). Laboratory and in situ observations showed that many of the vermiculations (fig. 5) occupy millimetric channels; similar observations have also been made in the Frasassi, cave, by Camassa & Fabbroriello (2003). The contact between these vermiculations and the halo that surrounds them is unmistakable. Between the halos is the inter-vermicular zone: a wall section covered by a very thin layer of water saturated silty sediments. Sediment sampling, morphometric and climatic measures were undertaken between February 2013 and April 2014. The Microtrac 3500 laser diffraction particle size analyser was used to accomplish granulometric analysis of vermicular, inter-vermicular, and loose ground sediments. The water, dry organic matter and calcium carbonate contents, of the three previous types of samples, were measured using conventional techniques (Heiri et al., 2001). The aim of these analyses was to determine if the composition of the vermiculations was homogeneous throughout the cave and to ultimately asses if there were significant differences between the three types of sediments. Morphometric analysis of the vermiculations was made possible by the use of plastic tracing paper on which all those that fell inside the surface area of the paper (roughly 40 cm2) were thoroughly drawn. These sheets were then scanned and analysed with ArcMap to determine the density of vermiculations (no./m2) and the orientation of the major axis of each of these patterns. The loss on ignition test (Heiri et al., 2001) showed that the dry organic matter concentration in loose ground sediments smaller than 500 µm diminished from the entrance (14%) towards the end of the cave (9.64%, fig. 6). The test revealed the same tendency for the vermicular and inter-vermicular sediments. The observation of the vermicular, inter-vermicular and soil sediments with a scanning electron microscope (SEM, fig. 7) revealed geochemical homogeneity of these materials throughout the cave. This test revealed a strong concentration of calcium carbonates (CaCO3, CaMg(CO3)2, CaFe(CO3)2) and tectosilicates (plagioclases and alkali feldspars) in all of the samples. Inosilicates (amphiboles), nesosilicates and iron oxides were also found in every sample, but in smaller concentrations. The granulometric analysis of inorganic sediments smaller than 1 mm also does not show significant differences between the vermicular material and those of the other sediments found in the cave (fig. 8). This analysis has also shown that the vermicular material is a silty sediment of Gaussian distribution, which becomes less and less sorted as we get to the end of the corridor. On the other hand, there seems to be an absence of sorting for the loose sediments found on the ground of the cave.

The microclimatic measurements, taken during the winter and spring, displayed air temperature increasing from the entrance, towards the inside of the cave. At 5 m from the entrance, the air temperature averaged -2 °C. This temperature favors the formation of ice stalactites (from water percolation), hoar frost (from water condensation) and pipkrakes (from capillary water; Lauriol and Bertrand, 2014). At 15 m from the entrance, the air temperature increases slowly towards the end of the cave, where it sits at 6 °C: this corresponds to the regional average surface air temperature (6.3 °C; Environment Canada, 2015). The relative humidity (RH) averaged 85% for the entire length of the cave. The RH for the ceiling and small chimneys were estimated to be around 98%. The RH for the ground, the base of the walls and the entrance were the lowest (less than 75%). The contact between the vermiculated and non-vermiculated zone on the cave walls is well defined (fig. 9): it corresponds to a hygrometric line at the base of the walls under which level they are too dry to allow the growth of vermiculations.

The maximal density of vermiculations (4 875 vermiculations/m2) is found on the cave wall situated at 15 m from the entrance (fig. 10); this is also where we can find the smallest vermiculations. Their density then diminishes irregularly towards the end of the cave. At 50 m from the entrance, the density of vermiculations on the cave walls is the smallest (2 333 vermiculations/m2); this is where we find the biggest patterns. The vermicular density for the ceiling also diminishes irregularly towards the end of the cave. The longest axis of vermiculations found on the walls of the cave, between 10 m and 38 m from the entrance, follows two major orientation patterns (fig. 11): they are either parallel or perpendicular to the ground. The major axis of the vermiculations found on the walls, further down the corridor, do not seem to follow this trend. The vermiculated patterns found on the ceiling of the cave also seem to be orientated in a random manner (fig. 12).

Our results indicate that there are no major differences between the hygrometric, granulometric and lithologic characteristics of the three types of samples analysed. This can be explained by the aerial suspension of silty sediments, from the passage of animals, which is confirmed by the observation of scratch marks at the bottom of the walls and by the presence of dejections and bones (fig.13). Some of these particles land directly on the wall while the smallest mix up with water vapor and form natural aerosols which have the ability to travel much further. The presence of cave aerosols has been documented by Lacelle et al. (2004, 2009) and photographed by Lauriol and Bertrand (2014). One of the interesting contributions of this study is the correlation between the size of the vermiculations and the RH of the cave (fig. 14): the biggest vermiculations are found in the most humid sections of the cave while small vermiculations are found at dryer sampled sites. This result reinforces the model proposed by Bini et al. (1978) which predicts that pellicular water could permit migration and agglomeration of organic and mineral particles, under the influence of pellicular attractions. Another interesting finding of this study is the orientation of the major axis of these vermiculations: many sampled sites showed that there was a dominant orientation for the vermiculations. Their orientation was not dictated by the size and humidity of the walls but probably reflected the influence of air flow. In fact, in zones less ventilated (the end of the cave), the largest axis of the vermiculations did not follow a dominant orientation. This could also explain the poor sorting of the material that composes the vermiculated patterns found at the end of the cave, as revealed by our granulometric analysis.

This study is a contribution to our present knowledge of vermiculations, and more precisely on their spatial distribution inside a cave that does not get much visit from humans. Caves in the Ottawa region seemed to have a lot of vermiculations on their walls, as many old pictures indicate, but the majority of them have been destroyed by the passage of visitors. A good example of this would be the Laflèche cave: vermiculations have grown inside an artificial tunnel, since it was dug in the 1950’s (Schroeder et Desmarais, 1988; Lauriol et Bertrand, 2014). We have considered erasing small wall surfaces in this tunnel (± 10 cm2), where vermiculations have grown, in order to monitor their evolution (using photogrammetry) during the subsequent years.

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Table des illustrations

Titre Fig. 1 – Genèse des vermiculations selon le modèle de Bini et al. (1978).Fig. 1 – Genesis of vermicular patterns under the Bini et al. (1978) model.
Légende I/ eau pelliculaire dans laquelle baignent des sédiments ; II/ formation d’un noyau concentrique dans une dépression millimétrique du marbre imputable à l’assèchement progressif de la paroi et attraction de l’eau pelliculaire vers le noyau ; III/ genèse d’une vermiculation (A), d’une auréole vermiculaire (B) et d’une zone inter-vermiculaire (C).I/ pellicular water containing sediments; II/ formation of a concentric nucleus due to the progressive drying of the wall and attraction of pellicular water towards the nucleus; III/ formation of a vermiculation (A), its’s surrounding halo (B) and the inter-vermicular zone (C).
URL http://geomorphologie.revues.org/docannexe/image/11280/img-1.png
Fichier image/png, 1,8M
Titre Fig. 2 – Localisation géographique de la grotte Wilson.Fig. 2 – Geographic location of the Wilson cave.
Légende La ligne rouge indique les limites du parc de la Gatineau et l’étoile indique la localisation de la grotte Wilson.The red line indicates the Gatineau Park limits and the star shows the location of the Wilson cave.
URL http://geomorphologie.revues.org/docannexe/image/11280/img-2.png
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Titre Fig. 3 – Vue en plan et coupes transversales (silhouette humaine mesurant environ 1,7 m) de la grotte Wilson (adapté du guide de rassemblement spéléo de la Société Québécoise de Spéléologie, 2006).Fig. 3 – Plan view and transverse cross sections (human silhouette has an approximate height of 1.7 m) of the Wilson cave (adapted from the Québec Speleological Society gathering handbook of the Wilson cave, 2006).
Légende Les chiffres indiquent les sites échantillonnés, selon leur distance de l’entrée de la grotte (1 = 5 m ; 2 = 10 m ; 3 = 15 m ; 4 = 20 m ; 5 = 25 m ; 6 = 30 m ; 7 = 38 m ; 8 = 50 m).Numbers indicate sampled sites, in reference to their distance to the cave’s entrance (1= 5 m; 2= 10 m; 3= 15 m; 4= 20 m; 5= 25 m; 6= 30 m; 7= 38 m; 8= 50 m).
URL http://geomorphologie.revues.org/docannexe/image/11280/img-3.png
Fichier image/png, 291k
Titre Fig. 4 – Tapissage de 90 % à 95 % des parois la grotte Wilson par des vermiculations (site n° 3).Fig. 4 – Vermiculations occupying 90% to 95% of the Wilson cave walls (site # 3).
URL http://geomorphologie.revues.org/docannexe/image/11280/img-4.png
Fichier image/png, 2,7M
Titre Fig. 5 – Vue détaillée d’une vermiculation de la grotte Wilson (site n° 6).Fig. 5 – Detailed view of one of the Wilson cave’s vermiculations (site # 6).
URL http://geomorphologie.revues.org/docannexe/image/11280/img-5.png
Fichier image/png, 2,5M
Titre Fig. 6 – Résultats du test de perte au feu (PAF) des matériaux secs (séchés à 105°C pendant 24 heures) vermiculaires (bleu), inter-vermiculaires (vert) et des sédiments meubles (noir) du sol de la caverne.Fig. 6 – Results from the loss on ignition (LOI) test for the dry (dried at 105°C for 24h) vermicular material (blue), dry inter-vermicular material (green) and dry loose ground sediments (black).
Légende Le poids en matière organique est représenté par des triangles et celui en carbonates par des carrés.The organic matter content is represented by triangles and the carbonate content is represented by squares.
URL http://geomorphologie.revues.org/docannexe/image/11280/img-6.png
Fichier image/png, 150k
Titre Fig. 7 – Observation au microscope à balayage électronique (MEB) du matériel vermiculaires (A), du matériel inter-vermiculaires (B) et des sédiments retrouvés au sol (C), dans la grotte Wilson (respectivement prélevés sur les sites n° 6, 3 et 4).Fig. 7 – Electron microscopic observations of vermicular material (A), inter-vermicular material (B) and loose ground sediments (C) from the Wilson cave (sampled respectively at sites # 6, 3 and 4).
URL http://geomorphologie.revues.org/docannexe/image/11280/img-7.png
Fichier image/png, 2,0M
Titre Fig. 8 – Résultats de l’analyse granulométrique des échantillons vermiculaires (lignes pleines), inter-vermiculaires (gros pointillés) et des sédiments meubles du sol de la caverne (petits pointillés).Fig. 8 – Results from the grain size analysis of vermicular materials (solid lines), inter-vermicular materials (large dotted lines) and loose ground sediments (small dotted lines).
Légende L’échelle de gauche indique la distance (en mètres) de l’entrée de la caverne. Les losanges indiquent les sites de mesure.The scale on the left on the left side of the figure indicates the distance (in meters) from the entrance of the cave. Diamonds indicate sampling sites.
URL http://geomorphologie.revues.org/docannexe/image/11280/img-8.png
Fichier image/png, 853k
Titre Fig. 9 – Ligne hygrométrique (en bleu) sous laquelle la paroi est trop sèche pour permettre la formation de vermiculations (site n° 7).Fig. 9 – Hygrometric line (blue) under which the cave walls are too dry to allow the formation of vermiculations (site # 7).
URL http://geomorphologie.revues.org/docannexe/image/11280/img-9.png
Fichier image/png, 1,9M
Titre Fig. 10 – Densité vermiculaire (Nb/m2) pariétale (noir) et des plafonds (bleu). Fig. 10 – Vermicular density (no./m2) for the walls (black) and ceiling (blue) of the Wilson cave.
URL http://geomorphologie.revues.org/docannexe/image/11280/img-10.png
Fichier image/png, 261k
Titre Fig. 11 – Orientation des grands axes vermiculaires (classes de 10º) pariétales, selon la distance de l’entrée : (a) 10 m ; (b) 15 m ; (c) 20 m ; (d) 25 m ; (e) 30 m ; (f) 38 m ; (g) 50 m.Fig. 11 – Orientation of the major axis of the vermiculations found on the walls (10° categories), according to the distance from the entrance of the cave: (a) 10 m; (b) 15 m; (c) 20 m; (d) 25 m; (e) 30 m; (f) 38 m; (g) 50 m.
URL http://geomorphologie.revues.org/docannexe/image/11280/img-11.png
Fichier image/png, 583k
Titre Fig. 12 – Orientation des grands axes vermiculaires (classes de 10°) du plafond, selon la distance de l’entrée : (a) 15 m ; (b) 20 m ; (c) 30 m ; (d) 38 m.Fig. 12 – Orientation of the major axis of the Wilson cave vermiculations found on the ceiling (10° categories), according to the distance from the entrance of the cave: (a) 15 m; (b) 20 m; (c) 30 m; (d) 38 m.
URL http://geomorphologie.revues.org/docannexe/image/11280/img-12.png
Fichier image/png, 328k
Titre Fig. 13 – Ossements de troglobies.Fig. 13 –Troglophile animal remains.
URL http://geomorphologie.revues.org/docannexe/image/11280/img-13.png
Fichier image/png, 2,1M
Titre Fig. 14 –Volume des vermiculations (mm3) et HR dans la grotte.Fig. 14 – Vermiculations’s volume (mm3) and RH inside the cave.
URL http://geomorphologie.revues.org/docannexe/image/11280/img-14.png
Fichier image/png, 300k
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Pour citer cet article

Référence papier

Benoit Faucher et Bernard Lauriol, « Les vermiculations de la grotte Wilson (Lac la Pêche, Québec, Canada). Contexte morpho-climatique, analyses sédimentologiques et distribution spatiale », Géomorphologie : relief, processus, environnement, vol. 22 – n° 1 | 2016, 95-103.

Référence électronique

Benoit Faucher et Bernard Lauriol, « Les vermiculations de la grotte Wilson (Lac la Pêche, Québec, Canada). Contexte morpho-climatique, analyses sédimentologiques et distribution spatiale », Géomorphologie : relief, processus, environnement [En ligne], vol. 22 – n° 1 | 2016, mis en ligne le 15 février 2016, consulté le 28 février 2017. URL : http://geomorphologie.revues.org/11280 ; DOI : 10.4000/geomorphologie.11280

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Auteurs

Benoit Faucher

Département de géographie – Université d’Ottawa – 60 rue Université – Ottawa (On) – Canada, K15 6N5 (bfauc073@uottawa.ca).

Bernard Lauriol

Département de géographie – Université d’Ottawa – 60 rue Université – Ottawa (On) – Canada, K15 6N5 (blauriol@uottawa.ca). Tél : 1-613-562-5800 ext. 5725.

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Droits d’auteur

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