1La vision classique du karst et de la karstification a évolué au cours des études réalisées depuis maintenant deux siècles. Le point de vue géomorphologique est de caractériser ce paysage particulier, présentant des formes généralement absentes d’autres types : dépressions fermées, surface des roches intensément découpées, hydrologie particulière avec pertes massives de rivières et sorties d’eau concentrées, existence d’une morphologie souterraine : grottes et gouffres. Le point de vue hydrogéologique est basé sur des circulations souterraines obéissant à une hydrodynamique non linéaire. Des approches synthétiques ont été développées, tentant de réconcilier les visions particulières dans une optique globale. Tous ces points de vue reposent néanmoins sur un concept d’altération chimique de la roche, hétérogène dans l’espace et évolutive dans le temps. Il y a élargissement progressif de certaines discontinuités dans la masse rocheuse par rapport à d’autres, avec une circulation souterraine qui devient privilégiée en suivant certains passages. De la sorte, une sélection des vides élargis se fait suivant un schéma hydrodynamique avec la formation de drains transmissifs et de systèmes annexes capacitifs (Mangin, 1974). Cette vision, paradoxalement, n’avait jamais été remise en question concernant certains karsts. Pourtant, de nombreuses questions se posent, qui ne peuvent être résolues que par des réponses ad hoc. Par exemple, des cavités de toutes tailles se voient trépanées par le creusement des canyons. Ces cavités isolées (coupoles géantes) ne peuvent être facilement intégrées dans un schéma de type purement hydrodynamique. Dans la même optique, il est bien souvent difficile de déterminer « un amont » et « un aval » quand le spéléologue se trouve dans une galerie. Et combien de fois la progression ne s’arrête-t-elle pas sur une fermeture complète du vide sur de la roche compacte ?
2Ces points peuvent être expliqués si l’on considère la karstification sur une base plus géologique. L’altération des roches est un phénomène universel : ce n’est que dans le cas d’un manque total d’eau que cette altération est réduite au minimum. La façon la plus fréquente sous laquelle se manifeste cette altération est la pédogenèse. Or, qu’est ce que cette altération du point de vue de la chimie physique ? Il s’agit du passage d’une phase solide en une phase soluble et une phase solide résiduelle. C’est ce que nous apprend la théorie de la biorhexistasie d’H. Erhart (1967). L’exemple du granite est le plus souvent cité. Certains minéraux (e.g., orthose) se transforment chimiquement pour fournir une phase soluble : des ions potassium et de la silice ainsi que du bicarbonate provenant du CO2 atmosphérique et surtout pédologique, et une phase solide résiduelle : les minéraux des argiles. Dans cette optique, où se situe la différence avec l’altération dans le cadre de la karstification ? Dans le karst, on suppose implicitement qu’il n’y a qu’une phase solide, d’où la nécessité d’avoir une roche « modérément » soluble pour que la karstification puisse s’installer. Dans le cas d’une roche présentant plusieurs phases minérales de solubilités différentes, on doit logiquement admettre une évacuation simultanée de toutes les phases produites. Or, des observations réalisées sur des paléokarsts dans les calcaires carbonifères de la province du Hainaut (Belgique) démontrent qu’il n’en est pas nécessairement ainsi, jetant un nouveau regard sur la karstification (Quinif, 2010).
3Les carrières de calcaires en Hainaut (fig. 1) exploitent les carbonates carbonifères par des excavations qui révèlent, en paroi, des paléokarsts scellés par des formations transgressives mésozoïques et cénozoïques. Ces paléokarsts se présentent sous deux types de structures.
Fig. 1 – Carte géologique simplifiée du Hainaut septentrional (Belgique) et localisation des carrières de Tournai et de Soignies (rectangles noirs).
Fig. 1 – Simplified geological map of the Northern Hainaut (Belgium) and location of the quarries of Tournai and Soignies (black rectangles).
1 : socle regroupant les schistes siluriens du Massif du Brabant et leur couverture du Dévonien moyen et supérieur ; 2 : Dévonien du Plateau de Blaugies appartenant à la fois au Bassin autochtone de Namur au nord et au Bassin de Dinant allochtone au sud ; 3 : Mésozoïque du Bassin subsident de Mons ; 4 : calcaires carbonifères ; F.M. : Faille du Midi, faille de charriage séparant au sud le massif de Dinant allochtone sur le synclinorium de Namur au nord. La carrière du Milieu se situe dans le rectangle à l’est de Tournai.
1: substratum including Silurian schist and their Middle and Upper Devonian cover; 2: Devonian of the Blaigies plateau (part of the autochthonous basin of Namur to the North and of the allochthonous basin of Dinant to the South; 3: Mesozoic of Mons basin; 4: Carboniferous limestones; F.M.: Midi fault separating the allochthonous Dinant massif to the South from the Namur synclinorium to the North. The Milieu quarry is situated in the rectangle, at the East of Tournai.
4Ils sont développés le long de joints, mesurant de quelques mètres à plus de 10 m de large et parfois plus de 50 m de profondeur (fig. 2). Ces couloirs renferment une roche poreuse, souvent mécaniquement friable, qui n’est autre que l’altérite résiduelle de la roche en place, composée des éléments insolubles comme la silice microcristalline et les minéraux argileux, mais également moins solubles comme la phase sparitique des calcaires : tests de fossiles, calcite de fentes de tension.
Fig. 2 – Un couloir dans le calcaire tournaisien de la carrière de Gauthier-Wincqz à Soignies (Belgique).
Fig. 2 – A corridor in the Tournaisian limestone of the Gauthier-Wincqz quarry at Soignies (Belgium).
Le couloir se termine vers le bas en biseau et marque ainsi la limite inférieure de l’altération. La paroi altérée à l’intérieur du couloir, noire, mettant en évidence les éléments moins solubles, contraste nettement avec la paroi découpée à la scie à roche du front.
The corridor ends at an angle down and marks the lower limit of the alteration. The black weathered wall inside the corridor highlights the less soluble elements, in contrast to the wall cut by the quarry.
5Ces forment ressemblent à s’y méprendre à des galeries de grottes classiques mais leur remplissage est constitué de l’altérite résiduelle. Ces « pseudo-galeries » n’ont donc jamais été vidées puisque l’altérite en place occupe encore l’essentiel du volume. La structure géologique de l’encaissant calcaire est conservée : stratification, fracturation, lits de silex ou de chailles sont en place. La roche est transformée par dissolution isovolume. Le fantôme de roche est caractérisé par une perte de cohésion, une grande porosité, cette phase résiduelle pouvant être constituée de carbonates, de silice ou d’argiles en trace. Illustrons ce fait par deux exemples découverts en Belgique :
6- Dans la carrière « Gauthier-Wincqz » à Soignies (province du Hainaut), le calcaire est transformé sur 4 m de hauteur (fig. 3) en une matrice poreuse et friable (Havron et al., 2007). Les fentes de tension calcitique et les fossiles tels les encrines constituent essentiellement cette matrice. Le gradient d’altération est abrupt mais les contours sont irréguliers, dépendant de la nature mécanique de la roche en place. Cette altérite résiduelle est calcaire parce que le bedrock est totalement carbonaté. Cet exemple illustre donc le cas d’une altérite résiduelle formée des éléments moins solubles que la matrice micritique. Soluble doit ici être pris dans le sens cinétique : la vitesse de dissolution est plus faible à cause d’un rapport surface/volume plus faible que celui de la micrite. La porosité totale est de 40±5 %. L’examen microscopique montre que, dans le cas d’un encaissant sain, les grains sont solidaires les uns des autres, sans forme de dissolution. Dans le cas du fantôme de roche, les grains sont séparés par des vides avec une porosité interconnectée. Les cristaux sparitiques peuvent être affectés par des golfes de corrosion.
Fig. 3 – Carrière Gauthier-Wincqz à Soignies (Belgique) : le fantôme de l’excursion.
Fig. 3 – Gauthier-Wincqz quarry at Soignies (Belgium): the excursion ghost.
Dans la zone altérée, on devine aisément que la stratification est présente dans le fantôme de roche en continuité avec celle de la zone saine. La roche est devenue pulvérulente. Aucun vide macroscopique n’est présent. Le mètre déroulant est déployé sur 2 m de hauteur.
In the weathered part, the stratification is visible into the ghost rock, in continuity with the stratigraphy in the safe rock. The rock is now powdery. There is no macroscopic void. The scale is two metres long.
7- Un exemple du second type de structure de fantôme de roche est constitué par un pseudo-endokarst appelé « grotte du Pic à glace » à la carrière du Milieu près de Tournai à l’ouest de la province du Hainaut (Vergari, 1998). La section de cette pseudo-galerie, haute de 7 m et large de 1 m à 3 m, résulte de l’avancée du front d’exploitation (fig. 4). Sous un vide d’un mètre de haut au sommet de la forme, la galerie est constituée par l’altérite résiduelle in situ dans laquelle on distingue toujours la stratification originelle, les lits de silex et le joint vertical central initial. Le contact entre l’altérite et la roche mère est brutal. La morphologie des parois est constituée d’une succession de coupoles. La grande différence d’avec le fantôme de roche vu précédemment dans la carrière Gauthier-Wincqz est la nature de la roche mère qui, ici, est un calcaire riche en silice microcristalline. Le fantôme de roche n’est plus constitué que par cette silice, ce que démontre l’examen microscopique. La porosité atteint 60-70 % parce que le carbonate a totalement disparu. C’est en un sens l’aboutissement du phénomène de karstification en fantôme de roche, en comparaison avec l’exemple précédent (carrière de Gauthier-Wincqz) où l’altération s’est arrêtée avant la disparition totale des carbonates.
Fig. 4 – La grotte du Pic à glace (Hainaut, Belgique).
Fig. 4 – The Pic à glace cave (Hainaut, Belgium).
Sur la photographie de gauche, le marteau donne l’échelle. Le croquis de droite est la coupe litho-stratigraphique du pseudo-endokarst. Les parois sont sculptées en coupoles. Ce qui apparaît comme un remplissage n’est autre que l’altérite résiduelle, dans laquelle on distingue notamment les lits de silex. La cavité supérieure résulte du tassement des couches très poreuses de l’altérite.
Hammer for scale in the left picture. The right sketch is the lithostratigraphic section of the pseudoendokarst. The walls are carved by several cupolas. What appears to be the filling of the cave correspond in fact to the residual alterite in which we can distinguish the cherts levels. The upper cavity corresponds to the compaction of the porous layers of the alterite.
8À l’encontre du développement du karst « classique » durant la première phase, le vide créé par la fantômisation est très dispersé : ce sont les pores de l’altérite résiduelle. La première phase du développement du karst par fantômisation est donc un réseau de couloirs et de pseudo-endokarsts parcourant le massif rocheux. Il n’y a donc pas de galeries ou de puits spéléologiques. La géométrie de ces réseaux altérés est déterminée principalement par la fracturation et le type de champs de contrainte auxquels est soumis le massif au cours de son histoire. La présence de l’altérite résiduelle, mécaniquement très fragile, demande une genèse en présence d’un potentiel hydraulique extrêmement réduit. On se trouve là dans un aquifère sans circulation organisée, dans un environnement proche du niveau de base. L’eau se déplace très lentement, ce qui nécessite des joints ouverts pour que les solutions saturées puissent se renouveler, d’où des conditions de tectonique extensive. Si l’hydrodynamique est forte lors de la genèse par dissolution, les deux phases « soluble » et « solide résiduelle » seront évacuées simultanément et nous nous retrouvons là dans les conditions de la karstification classique que nous appellerons pour ces raisons « karstification par enlèvement total ».
9Par essence, la fantômisation est un processus qui se déroule dans la zone saturée de l’aquifère. Lorsque l’altérite se dénoie, l’eau interstitielle n’exerce plus de contre-pression et l’altérite très poreuse se tasse sur elle-même. Un vide apparaît au sommet, comme dans l’exemple de la grotte du Pic à glace (fig. 4).
10Si un potentiel hydrodynamique apparaît, l’eau de l’aquifère peut éroder mécaniquement l’altérite résiduelle des pseudo-endokarsts. Une grotte au sens spéléologique apparaît alors. Deux exemples pris dans les paléokarsts du Hainaut et un troisième dans la bordure cévenole éclairent ce processus :
11- À la carrière de Nocarcentre, à Ecaussinnes (Belgique), une grotte a été trépanée par un tir (Quinif et Maire, 2009). Elle est constituée d’une galerie parcourue par une rivière souterraine. L’exploration a mis au jour l’existence d’une forte épaisseur de fantômes de roche sous la rivière. La morphologie de la galerie est essentiellement constituée de coupoles et de formes arrondies, que l’on aurait classiquement attribuées à une genèse phréatique dans une galerie totalement noyée (fig. 5). Mais, lors de son recoupement par le front de taille, le cours d’eau débouchait en paroi dans la carrière, nécessitant une exhaure importante. Puis, quelques mois plus tard, la galerie était sèche car la rivière souterraine s’était enfoncée à un niveau inférieur. Clairement, nous avons assisté ici au creusement d’une grotte en quelques dizaines d’années ! Le creusement a uniquement consisté en l’évacuation mécanique de l’altérite résiduelle du pseudo-endokarst. L’énergie hydrodynamique est provoquée par le nouveau potentiel induit par le creusement progressif de la carrière au sein de l’aquifère traversé de pseudo-endokarsts.
Fig. 5 – La grotte Quentin (Ecaussines, Belgique).
Fig. 5 – The Quentin cave (Ecaussines, Belgium).
Cette galerie aux formes arrondies de type coupoles provient de la vidange de l’altérite résiduelle contenue initialement dans le pseudo-endokarst.
This gallery with rounded morphologies is formed by the removal of the residual alterite that initially filled the pseudoendokarst.
12- La carrière du Clypot, à Neuville près de Soignies (Belgique), exploite une pierre ornementale constituée d’une encrinite très compacte : le « petit granit ». Au cours de l’excavation, une grotte, totalement remblayée par une série sédimentaire de type fluviatile, a été recoupée : la grotte Improbable (Quinif et al., 2006). Sous les alluvions, le contact avec la roche mère correspond à un fantôme de roche décimétrique assez résistant. Il s’agit vraisemblablement de la racine d’un gradient d’altération plus important. Le tracé de cette grotte a pu être reconstitué géométriquement sur une centaine de mètres. Le remplissage comprend divers faciès : sable blanc à granulométrie de type fluviatile, « argile noire », alternance de fines strates de sables et de lutite noire. On y trouve des structures chenalisantes et des stratifications entrecroisées. Les sédiments de type « argile noire » sont en fait de l’altérite résiduelle parfois remaniée. Des blocs de calcaire fantômisé se retrouvent d’ailleurs isolés dans les couches sableuses, avec la présence de figures en piles de pont marquant l’écoulement autour de cet obstacle. Une analyse pétrographique détaillée complétée par l’étude paléontologique et radiochronologique démontre que le sédiment est constitué de sables marins côtiers d’âge coniacien remanié sous terre au Paléocène inférieur. La grotte Improbable est donc un ancien pseudo-endokarst dont l’altérite résiduelle a été évacuée et a été substituée par un sédiment fluviatile. Cette phase évolutive est dépendante de l’apparition d’un potentiel hydrodynamique permettant cette circulation de haute énergie.
13- Sur la bordure cévenole, au sud du Massif central (fig. 6), de nombreux exemples de fantômisation ont pu être mis en évidence (Bruxelles et Wienin, 2009). La visite de mines, comme celle de la Grande Vernissière (Durfort-et-Sassenac, France), a fourni les preuves que nous recherchions pour expliquer l’origine de certaines cavités de ce secteur. En plusieurs points, les galeries ont recoupé des masses d’altérites in situ sous toit calcaire sain, associées ou non avec les minéralisations hydrothermales (fig. 7). Au sommet de l’altérite, nous avons identifié un niveau d’argile litée associé à des morphologies karstiques de type coupole. Il matérialise l’existence de circulations d’eau mises en place dans les vides formés par tassement, entre la roche fantômisée et la voûte. Dans d’autres secteurs, à la faveur d’infiltrations, l’altérite a été partiellement évacuée et des vides plus importants sont en cours de formation (fig. 8).
Fig. 6 – Carte géologique simplifiée de la bordure sud du Massif Central français.
Fig. 6 – Geological map of the southern part of the French Massif Central.
1 : Quaternaire ; 2 : volcanisme ; 3 : Tertiaire ; 4 : Crétacé supérieur ; 5 : Crétacé inférieur ; 6 : Malm ; 7 : Dogger ; 8 : Lias ; 9 : Trias ; 10 : Permien ; 11 : Socle Primaire ; A : Grands Causses ; B : bordure cévenole.
1: Quaternary; 2: volcanism; 3: Tertiary; 4: Upper Cretaceous; 5: Lower Cretaceous; 6: Malm; 7: Dogger; 8: Lias; 9: Trias; 10: Permian; 11: substratum; A: Grands Causses; B: Cévennes border.
Fig. 7 – Pseudo-endokarst vidé par l’exploitation d’une mine dans les Cévennes gardoises (la Grande Vernissière, district de Durfort).
Fig. 7 – Pseudoendokarst partially excavated by mining in the Cévennes (la Grande Vernissière, Durfort).
L’altérite laissée en place par les mineurs constitue l’une des parois de la galerie et se prolonge à droite sous la voûte calcaire.
The sandy-clayey formation, in the centre of the gallery, corresponds to the ghost rock and continues under the safe roof.
Fig. 8 – Coupe schématique d’une poche verticale fantômisée en cours de vidange.
Fig. 8 – Schematic section of a vertical pocket. Ghost rock is partially eroded since the opening of the mine.
1 : filon minéralisé ; 2 : altérite remaniée ; 3 : altérite argileuse ; 4 : altérite sableuse ; 5 : infiltrations.
1: mineralised vein; 2: reworked alterite; 3: clayey alterite; 4: sandy alterite; 5: dripping water.
14Lors de la surrection d’une région, la présence d’altérite meuble au sein d’un massif rocheux introduit une discontinuité importante qui sera préférentiellement exploitée par l’érosion. Ainsi, en surface, le déblaiement des couloirs altérés exhume les parties plus saines et peut aboutir, dans la dolomie jurassique des Grands Causses par exemple, à la formation de méga-lapiés d’aspect « ruiniforme » (fig. 9). Dans les pseudo-endokarsts, l’abaissement relatif du niveau de base provoque un tassement de l’altérite du fait de l’importante porosité. Puis des circulations karstiques peuvent réutiliser les vides formés au toit des altérites (Quinif, 1999 ; Bruxelles et Wienin, 2009) et déblayent complètement le fantôme de roche. Le réseau de conduits altérés est alors réutilisé par de véritables circulations karstiques qui réaménagent les vides et introduisent des sédiments allochtones. Comme dans le cas de la grotte Improbable en Belgique, le recoupement de pseudo-endokarst par les carrières est caractérisé parfois par l’apparition d’une émergence au toit de l’altérite. L’écoulement évide les parties fantômisées et, en quelques mois, l’érosion régressive permet la formation de cavités pouvant atteindre plusieurs dizaines de mètres de développement (fig. 10). À une autre échelle, lors du creusement des vallées, le développement des systèmes de drainage karstique a pu largement bénéficier de ce phénomène. Ainsi, certaines émergences des Grands Causses comme la source du Durzon dans le canyon de la Dourbie (Bruxelles, 2004) ou d’autres sources majeures dans les gorges du Tarn (Bruxelles et al., 2007) ont une dynamique conquérante par rapport aux autres sources (fig. 6). Drainant directement les formations fantômisées, elles étendent rapidement leur bassin-versant vers l’intérieur des plateaux en vidant les parties altérées de la dolomie et en exportant le sable dolomitique résiduel. Le soutirage induit par ces circulations provoque la vidange de fractures altérées qui rejoignent directement la surface et forment de nombreux gouffres. Il se produit donc un processus d’érosion régressive en milieu souterrain depuis l’émergence (Bruxelles, 2004 ; Quinif et Maire, 2009 ; Quinif, 2010 ; Dandurand et Maire, sous presse).
Fig. 9 – Bordure nord du Causse Méjean.
Fig. 9 – Northern border of the Causse Méjean.
L’érosion met bien en évidence l’altération profonde des dolomies jurassiques (Dogger). Elle prédispose au déblaiement des couloirs (canaules), au dégagement des reliefs ruiniformes mais aussi à la formation d’avens.
The erosion reveals the deep weathering of Jurassic dolomites (Dogger). It predisposes to the clearing of corridors (canaules), to the exhumation of tower-like mega-lapiaz and also to the formation of pits.
Fig. 10 – Plan schématique d’un pseudo-endokarst.
Fig. 10 – Schematic map of a pseudoendokarst.
Tant qu’il n’y a pas assez d’énergie potentielle hydraulique, les circulations ne peuvent évacuer l’altérite (A). Puis l’apparition d’un gradient hydraulique permet la mise en place d’une circulation et l’évidement des conduits par érosion régressive (B). Progressivement, un labyrinthe de galeries apparaît, calé sur le maillage tectonique qui avait guidé l’altération (C). Les parties trop éloignées des principales circulations restent colmatées par le fantôme.
As long as there is not enough potential hydrological energy, the runoff is not able to evacuate the alterite (A). Then, the appearance of a hydraulic gradient permits the development of a water flow which can remove the alterite by headward erosion (B). Progressively, a real maze of galleries appears, linked to the tectonic network which guided initially the development of the ghost rock (C). Parts that are too far from the main water flows will remain filled with the ghost rock.
15Les observations réalisées dans les carrières belges mais aussi dans la bordure cévenole montrent clairement le passage d’un fantôme en place à une galerie partiellement évidée et servant alors de drain karstique classique. Ces observations permettent de montrer comment les pseudo-endokarsts ont pu être réutilisés dans les étapes préparatoires de la karstogenèse dans ces massifs. On peut alors se poser la question de l’origine de certaines grandes cavités de ces secteurs comme la grotte de Trabuc (Mialet, Gard). Sa géométrie labyrinthique, sa physionomie et certains remplissages originaux nous avaient très tôt incités à imaginer qu’un phénomène de fantômisation était à l’origine d’une partie de la cavité (Bruxelles et Bruxelles, 2003). Le phénomène de fantômisation et l’identification de cavités découlant de ce processus prennent de plus en plus d’importance. Observés et décrits pour la première fois aux Etats-Unis (Schmidt, 1974), elles ont ensuite été étudiées dans la craie de Normandie et qualifiés de « primokarst » (Rodet, 1996). Puis, c’est en Belgique que leur étude a pris de l’ampleur (Vergari, 1998 ; Quinif, 1999) avant que les fantômes de roche ne soient reconnus dans plusieurs autres régions comme les Alpes lombardes (Tognini, 2001), les Alpes centrales, mais aussi dans le Médoc (Courrèges, 1997), les Grands Causses (Bruxelles, 2004) ou la bordure cévenole (Bruxelles et Wienin, 2009). Au-delà des roches carbonatées, le processus de fantômisation permet aussi de mieux comprendre l’existence de traces de karstification (i.e., formes de surface ou cavités) dans des roches non carbonatées. Ainsi, les morphologies développées dans les grès quartzitiques des tepuys vénézuéliens (Piccini, 1995) semblent pouvoir être assimilés à des couloirs et à des pseudo-endokarsts rajeunis par la vidange de l’altérite. C’est également le cas des grottes creusées dans les quartzites d’Afrique du Sud (Martini et Marshall, 2002) ainsi que dans les métagabbros et les gneiss d’Afrique orientale (Willems et al., 2001). Ce serait également le cas pour les morphologies karstiques décrites dans les péridotites riches en nickel de Nouvelle Calédonie (Trescases, 1973).
Nous tenons à remercier les trois relecteurs anonymes qui ont permis, par leurs remarques constructives, d’améliorer notre manuscrit.