GéoKARST : regards croisés des géosciences sur le karst » Résumés

« GéoKARST :
regards croisés des géosciences sur le karst »
Séance spécialisée FFG-AFEQ –AFK- CNF INQUA 9 décembre 2010
Société Géologique de France. 77 rue Claude Bernard, 75 005 Paris
Résumés
Formations carbonatées, réservoirs et karst. Réflexions sur leur approche.
Michel BAKALOWICZ. Université Montpellier 2 UMR HydroSciences, CC MSE. place Eugène
Bataillon. 34095 Montpellier cedex 5.
Les formations carbonatées, très abondantes sur tous les continents, à l'affleurement comme en
profondeur, recèlent une bonne part des ressources fondamentales indispensables à l'homme: l'eau,
le pétrole et bon nombre de minerais. Elles offrent également des sites remarquables, témoins de
l'histoire de la Terre et de l'homme, ou paysages exceptionnels. De ce fait, elles sont l'objet d'études
par des approches disciplinaires très différentes, donnant lieu à des tentatives de représentation
variées, souvent dans l'ignorance et/ou l'incompréhension de celles des autres disciplines. Dans tous
les cas, la question de la karstification est la cause essentielle de la multiplicité des représentations
ou modèles et de la difficulté, voire l'impossibilité, d'évaluer correctement les ressources offertes
par ces réservoirs à hétérogénéité particulière et exceptionnellement forte.
Il en résulte que chaque discipline a de ces réservoirs une vision partielle, tronquée, donc partiale,
dépendant de son objet d'étude (le paysage, l'eau, le pétrole, le minerai) et de la méthodologie
qu'elle maitrise. En conséquence, chaque discipline propose sa propre approche de modélisation. La
question de la recherche d'une approche « unificatrice » des réservoirs carbonatés se pose donc
clairement. Il est encore trop tôt pour en proposer les bases: c'est une tâche qui doit être dévolue à la
génération des jeunes chercheurs. Cependant, l'expérience accumulée en s'appuyant sur des
exemples variés, dont certains issus des travaux de pétroliers, permet de suggérer quelques pistes à
explorer. En particulier, il est clair que deux ensembles d'approches s'opposent: pour simplifier,
celle des hydrogéologues, cherchant à représenter le karst à partir du fonctionnement d'un ensemble
dont on tente de détailler la structure intime (démarche descendante ou « top-down »); et celle des
pétroliers, qui cherchent à représenter le réservoir carbonaté karstifié à partir de données locales de
structure des vides (démarche ascendante ou « bottom-up »). Chacune de ces approches devrait
avoir pour objectif d'intégrer celle des autres disciplines.
Fantômes de roche et fantômisation : un nouveau paradigme en karstogenèse.
Yves QUINIF. Service de Géologie fondamentale et appliquée, Faculté Polytechnique, Université
de Mons. Y[email protected]
D’une manière générale, la réalité karstique caractérisée par des formes d’érosion et des
phénomènes hydrogéologiques particuliers doit en quasi-totalité à l’altération chimique de la roche
en place. Dans les faciès carbonatés, c’est l’attaque acide qui est le grand acteur de la karstogenèse.
La fonction acide peut être fournie par le dioxyde de carbone ou l’acide sulfurique. Ainsi, la
karstification est le résultat du passage d’espèces chimiques entre les phases solide et liquide. Nous
pouvons résumer les caractéristiques de la karstification par la présence de vides interconnectés de
grandeurs différentes, l’influence prépondérante de la chimie de l’eau et les flux importants d’eau

souterraine. Naturellement, le paradigme de la karstogenèse est basé sur l’élargissement progressif
des joints par l’altération chimique. Certains vides se développent plus que d’autres et accueillent
un flux d’eau de plus en plus important. Les espèces dissoutes et les grains solides sont pris en
charge par les flux d’eau. J’ai appelé ce paradigme la karstification par évacuation totale.
Dans les calcaires carbonifères du Hainaut (Belgique), des paléokarsts crétacés ont révélé des
formes d’altération semblables à des formes pédologiques : une altération « in situ » du calcaire
avec l’altérite résiduelle gardant le même volume dans une première phase. Les éléments
géologiques comme les lits de cherts, la stratification, les joints avec les veines de calcite subsistent,
mais avec une grande porosité où les espèces chimiques ont été enlevées. L’altération suit les joints
et se déplacent latéralement par des fronts d’altération. Ces fronts peuvent se rencontrer en isolant
des blocs intacts. Ce phénomène est la fantômisation. Elle est caractérisée par une transformation de
la roche massive en une texture poudreuse. La porosité s’accroît. En images MEB, on constate que
le calcaire intact est formé de grains jointifs. La surface des grains est constituée des plans de
clivage. Quand on examine un échantillon altéré, les grains sont séparés par des vides
interconnectés. Les cristaux sparitiques sont séparés du ciment micritique et ils commencent à
montrer des golfes de corrosion. Dans le cas d’un calcaire riche en silice, seul le squelette siliceux
subsiste. Le fantôme de roche est bien une transition entre l’état initial de la roche intacte et la
disparition complète des carbonates.
Les expressions morphologiques des fantômes de roche sont en premier des couloirs qui se
développent au détriment de joints verticaux ayant conduit l’eau agressive en zone phréatique
calme. Le développement d’un front d’altération nécessite un potentiel hydrodynamique nul
puisque l’altérite résiduelle mécaniquement fragile subsiste en place sans érosion mécanique et une
tectonique en extension conduisant à la possibilité de pénétration de l’eau en zone saturée sous très
faible potentiel. Une autre expression morphologique est Le pseudoendokarst, totalement interne.
La forme résultante garde un toit constitué de roche intact. Le massif est découpé par un réseau de
galeries qui n’ont jamais été vides de matière. Durant cette première phase de karstification, les
vides sont constitués de la porosité de l’altérite résiduelle au lieu d’être macroscopiques.
Les fantômes de roche évoluent par subsidence quand la pression de l’eau phréatique dans la
porosité du fantôme disparaît, suite à l’abaissement de la surface piézométrique. Un vide
macroscopique apparaît au sommet du pseudoendokarst, sous le toit du calcaire. Si un potentiel
hydrodynamique apparaît, ce nouveau type d’énergie peut contribuer à enlever l’altérite résiduelle.
Une nouvelle grotte spéléologique est ainsi créée à partir d’un pseudoendokarst. De cette façon,
nous avons une continuité entre le fantôme de roche et une grotte spéléologique. C’est ici que nous
pouvons parler d’un nouveau paradigme. Les paléokarsts du Hainaut nous ont à la fois fourni des
exemples en paléokarsts et un modèle actuel suite à un dégagement de pseudoendokarst en carrière
suite à l’exhaure et à la naissance d’une nouvelle grotte.
La théorie de la fantômisation est la fille de la théorie de la biorhexistasie. L’altération de la roche
sépare celle-ci en deux phases : la phase solide résiduelle d’un côté et la phase soluble de l’autre.
L’étape de la fantômisation est la phase biostasique, tandis que la phase rhexistasique est l’érosion
mécanique de l’altérite résiduelle. La rupture d’équilibre est due à l’apparition d’un nouveau
potentiel hydrodynamique.
Paléokarsts et karsts fonctionnels des massifs des Arbailles et de la Pierre Saint-
Martin (Pyrénées-Atlantiques, France)
Nathalie VANARA
1, 2 , 3
et Richard MAIRE
1, 3
(1) ANR Climanthrope.Maison des Suds - CNRS - 12, Esplanade des Antilles, 33607 Pessac cedex

(2) Univ. Paris 1.Panthéon-Sorbonne. Institut de géographie. 191 rue Saint-Jacques, 75005 Paris
(3) UMR 5185 ADES-DyMSET - Maison des Suds - CNRS - 12, Esplanade des Antilles, 33607
Pessac cedex
Dans les Pyrénées Atlantiques, les massifs de la Pierre Saint-Martin (zone axiale) et des Arbailles
(zone nord-pyrénéenne) montrent une grande variété de témoins sédimentaires et morphologiques
des karstifications successives depuis 300 millions d’années.
Le massif pyrénéen de la Pierre Saint-Martin (2 500 m) constitue un patrimoine naturel unique au
monde avec 400 km de réseaux souterrains topographiés. Il présente les témoins morphologiques et
les remplissages relatifs à plusieurs karstifications se succédant depuis le Permien. La chaîne
hercynienne, qui a été érigée puis arasée à la fin du Paléozoïque, a été fossilisée au Crétacé
supérieur par les "calcaires des canyons" dont la série de 400 m d’épaisseur a été conservée. La
chaîne tertiaire, appartenant au cycle alpin, a repris la couverture carbonatée secondaire et le socle
paléozoïque plissé dans ses déformations, avec une surrection qui s'est poursuivie au Néogène et au
Pléistocène. L'exploration spéléologique permet une approche originale de l'étude des
karstifications successives car elle s'effectue grâce aux réseaux karstiques qui constituent des
coupes naturelles souterraines permettant de mettre en évidence poches et paléoremplissages (dans
les calcaires dévoniens et crétacés), niveaux de conduits étagés et dépôts pléistocènes. Le début du
creusement des grands systèmes karstiques date probablement de la fin du Tertiaire à une époque où
le massif était moins haut et soumis à un climat plus chaud. La bordure orientale du massif recèle
des "cimetières" de vieilles cavités : paléo-conduits recoupés et vieilles coulées calcitiques à
l’affleurement. L’enfoncement du karst au cours de la surrection pléistocène se traduit par des
niveaux étagés de conduits inactifs. Au cours du Pléistocène moyen, la galerie Aranzadi, située en
aval du massif, a piégé des varves épaisses qui ont été datées entre 200 000 et 300 000 ans BP à une
époque où la salle de la Verna n’existait pas. Comme le réseau d’Aranzadi (alt. 1 050 m) date au
minimum de 400 000 ans, la surrection est estimée à 500-600 m au moins depuis le Pléistocène
moyen.
Le massif des Arbailles (1 100 m) présente un éventail important d’indices paléokarstiques qui sont
les témoins des multiples phases de karstification du Mésozoïque au Cénozoïque. Les phases anté-
tertiaires témoignent d’une instabilité de la zone à la suite de l’ouverture de l’Atlantique. La phase
de la fin du Jurassique a permis le développement d’une véritable surface karstique marquée en
particulier par le dépôt de bauxite. Les brèches d’Arhansus localisées sur la bordure sud prouvent
l’existence d’une phase de rifting éocrétacée responsable d’une émersion au cours de l’Aptien
(Gargasien supérieur). Le gouffre d’Apanicé permet l’observation d’une discontinuité dans la masse
des calcaires urgoniens (surface de ravinement) qui confirme l’existence d’une phase d’émersion et
de karstification sur la bordure sud de la plate-forme carbonatée au cours de l’Aptien. Les phases
attribuées au Tertiaire sont représentées par des paléocavités démantelées situées au sommet des
buttes karstiques, par des poches localisées sur la haute surface et par des pertes décapitées. L’étude
des remplissages prouve l’existence d’un climat chaud à saisons contrastées (cuirasses) et une
paléogéographie aujourd’hui disparue. Les coupes étudiées montrent des paléo-concrétionnements
stalagmitiques à l’affleurement (pic du Belchou) associés à des brèches et des dépôts fluviatiles
indurés qui attestent d’une relation directe avec la Haute Chaîne. Les coupes montrent aussi une
alimentation généralisée par les calcaires marneux albiens qui devaient recouvrir l’ensemble des
Arbailles avant leur décapage sur les parties structuralement élevées. A partir de la fin du Miocène
supérieur, la chaine pyrénéenne connaît une grande phase de surrection qui produit une première
verticalisation des réseaux karstiques et l’accentuation des formes fluvio-karstiques et karstiques.
Au Pléistocène inférieur, la seconde phase de surrection déconnecte définitivement la Haute Chaine
des grandes vallées sèches. Ces dernières évoluent au Quaternaire en vallées dolinaires.
Actuellement l’essentiel du drainage s’effectue par des systèmes souterrains qui n’ont aucune
liaison avec la topographie « fossile » de surface. Le taux de surrection au Pléistocène moyen-

inférieur serait de l’ordre de 0,4 mm/an d’après les âges U/Th et mesures paléomagnétiques.
Morphologie et dépôts karstiques : mémoires des temps forts de la
géodynamique de surface
Laurent BRUXELLES
Chemin des Jardins, 30170 Saint-Hippolyte-du-Fort . [e-mail]
L’une des particularités du karst est son aptitude à préserver, aussi bien en profondeur qu’en
surface, des formes et des formations très anciennes. Elles constituent alors autant de jalons de
l’histoire géologique et géomorphologique. Il suffit de savoir les décrypter pour pouvoir
reconstituer les grandes étapes de l’évolution d’un secteur. A partir de deux exemples situés au sud
du Massif Central, les Grands Causses et la bordure cévenole, nous verrons quels sont les apports
du karst à la connaissance de la géodynamique régionale.
Sur les Grands Causses, l'étude des dépôts sédimentaires post-Jurassique, des formations
superficielles et de celles qui sont piégées dans les cavités karstiques a permis, en les associant aux
formes du paysage, de reconstituer plusieurs évènements majeurs de leur évolution morphologique.
En particulier, la découverte de nombreux témoins d'une couverture crétacée, marine et
continentale, permet de comprendre les premières étapes morphogénétiques de ces plateaux. Après
l'épisode bauxitique, la transgression coniacienne a fossilisé une paléotopographie karstique sous
une centaine de mètres de calcaires gréseux. Dans un second temps, l'érosion de ces dépôts libère
une grande quantité de matériel. Il s'incorpore à des altérites variées, allochtones ou autochtones
(formations quartzeuses, argiles à chailles), constituant une véritable couverture superficielle et
contribuant au développement d'aplanissements karstiques crevés de méga-dolines (sotchs). Entre
l'Eocène et le Miocène, ces mêmes processus continentaux déterminent l'enfoncement de la surface
karstique scandée par des niveaux de replats emboîtés. A partir du Miocène, des dynamiques
d'érosion linéaire apparaissent et sont marquées par le creusement des canyons et des reculées
karstiques. La surface du plateau est profondément affectée par le soutirage karstique qui génère
poljés, dolines et réseaux souterrains. Seuls quelques secteurs privilégiés conservent des lambeaux
de couverture qui autorisent, encore de nos jours, un fonctionnement relique temporaire.
Sur la bordure cévenole, la dissection du paysage est plus marquée et les témoins de surface sont
rares. De fait, c’est surtout l’endokarst qui a préservé les indices de cette évolution. A ce titre, le
massif de Mialet et le système de la grotte de Trabuc constituent un exemple démonstratif.
L’analyse de la géométrie des réseaux ainsi que l’étude systématique des remplissages karstiques a
permis de reconstituer les grands traits de l’histoire de massif, directement commandé par
l’évolution géodynamique de la bordure cévenole. La formation de ce karst débute par une longue
phase d’altération qui affecte les calcaires et les dolomies du Jurassique inférieur. Ce processus de
fantômisation a pu démarrer dès le Crétacé supérieur, guidé par la fracturation du massif induite par
la phase précoce de la compression pyrénéenne. Puis, la structuration tectonique de l'Eocène met
nécessairement un terme à cette altération. La surrection du bâtit cévenol introduit un gradient
hydraulique qui permet l'évacuation des altérites et la mise en place de systèmes karstiques
fonctionnels. Ensuite, on observe une fossilisation complète de ce karst, sur plusieurs centaines de
mètres de haut. Ce phénomène ne semble pouvoir s'expliquer que par la subsidence d’ensemble du
massif de Mialet. Ainsi, ce serait à l'Oligocène, comme le fossé d'Alès tout proche, que s'opère le
colmatage intégral de ce karst par des matériaux exclusivement autochtones. Enfin, à partir du
Miocène, la mise en place des canyons régionaux introduit un nouveau gradient hydraulique.
L'organisation du réseau hydrographique et la dénudation avancée des Cévennes permettent
désormais l'apport d'éléments cristallophylliens dans le massif de Mialet. Ces formations ne se
retrouvent que dans les parties de l'endokarst réutilisées par les circulations les plus récentes,
contingentées à la proximité de la vallée. L'enfoncement du réseau hydrographique démantèle
progressivement les anciens conduits dont on retrouve aujourd'hui les témoins sous forme de
paléokarsts jusqu'aux points les plus hauts du massif.

Au-delà des phénomènes purement géologiques, les karsts constituent l’habitat naturel privilégié
d’une faune hautement spécialisée. Ce milieu naturel est en effet caractérisé par l’absence totale de
lumière (donc l’absence de producteurs primaires chlorophylliens) et par des conditions peu
variables (température relativement stable, humidité constante…). Ces conditions qu’on peut
considérer comme hostiles de prime abord présentent des avantages pour la vie : les organismes
épigées doivent se protéger de l’agression des ultraviolets et s’adapter aux conditions de
température et d’humidité très variables au cours d’une journée, d’un jour sur l’autre et tout au long
de l’année (saisons). En revanche, sans producteur primaires, la matière organique manque en
milieu souterrain où seuls les eaux météoriques et des organismes venus de l’extérieur (les chauves-
souris par exemple) apportent la nourriture aux organismes décomposeurs qui supportent toute la
chaine alimentaire. On parle alors de chaine trophique tronquée, à la base par l’absence de
production primaire, au sommet par l’absence ou la rareté de prédateurs de grande taille.
En l’absence de lumière, les spécialistes du milieu souterrain ont évolué en perdant progressivement
l’usage de la vue et en se débarrassant des pigments protecteurs contre les ultra-violets. En
conséquence, ces organismes sont en quelques sorte piégés dans le milieu souterrain : ils sont
incapable de vivre à la lumière et ne peuvent coloniser que les réseaux interconnectés. Si l’étude des
karsts permet de mieux comprendre l’écologie de cette faune si particulière, la distribution de la
faune souterraine peut à l’inverse nous renseigner sur l’évolution et la structure des karsts. Les
animaux strictement souterrains peuvent être considérés comme des marqueurs à long terme des
réseaux. En s’intéressant plus particulièrement aux espèces aquatiques, on montre que la répartition
des différentes espèces reflète les flux d’eaux. Chaque système aquifère indépendant, chaque unité
hydrologique peut être considéré comme une île et, à l’instar des pisons de Darwin, peut être
caractérisé par une signature taxonomique. On peut ainsi imaginer utiliser la faune souterraine
comme un traceur supplémentaire des systèmes, qui aura l’avantage de refléter les évènements
exceptionnels sur un pas de temps beaucoup plus long. Enfin, en se focalisant sur les flux de gènes,
des évènements de colonisation ou d’isolement peuvent être datés et nous renseigner sur l’histoire
des réseaux.
La faune souterraine et ses liens avec les hydrosystèmes karstiques
Vincent PRIE. Biotope. Service recherche et développement. BP 58 22 Bd Maréchal Foch. 34 140 Mèze.
[e-mail]
Au-delà des phénomènes purement géologiques, les karsts constituent l’habitat naturel privilégié
d’une faune hautement spécialisée. Ce milieu naturel est en effet caractérisé par l’absence totale de
lumière (donc l’absence de producteurs primaires chlorophylliens) et par des conditions peu
variables (température relativement stable, humidité constante…). Ces conditions qu’on peut
considérer comme hostiles de prime abord présentent des avantages pour la vie : les organismes
épigées doivent se protéger de l’agression des ultraviolets et s’adapter aux conditions de
température et d’humidité très variables au cours d’une journée, d’un jour sur l’autre et tout au long
de l’année (saisons). En revanche, sans producteur primaires, la matière organique manque en
milieu souterrain où seuls les eaux météoriques et des organismes venus de l’extérieur (les chauves-
souris par exemple) apportent la nourriture aux organismes décomposeurs qui supportent toute la
chaine alimentaire. On parle alors de chaine trophique tronquée, à la base par l’absence de
production primaire, au sommet par l’absence ou la rareté de prédateurs de grande taille.
En l’absence de lumière, les spécialistes du milieu souterrain ont évolué en perdant progressivement
l’usage de la vue et en se débarrassant des pigments protecteurs contre les ultra-violets. En
conséquence, ces organismes sont en quelques sorte piégés dans le milieu souterrain : ils sont
incapable de vivre à la lumière et ne peuvent coloniser que les réseaux interconnectés. Si l’étude des