Particularités du développement récent du karst calcaire de Sibérie

Les particularités du développement récent du karst calcaire de la Sibérie et de l’Extrême-Orient
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Particularités du développement récent du karst calcaire
de Sibérie et d’Extrême-Orient (Russie)
Elena V. Trofimova
Institut de Géographie de l’Académie Russe des Sciences,
29, rue Staromonetnie, 109017, Moscou, Russe, e-mail: [email protected]
RÉSUMÉ
L’érosion des calcaires (érosion karstique) est la caractéristique principale de l’évolution récente des
paysages des régions karstiques. L’évaluation de la valeur de l’érosion karstique a été effectuée selon les
méthodes de J. Corbel et de M. Pulina pour le territoire de la Sibérie et de l’Extrême-Orient en utilisant les
publications relatives au karst calcaire, les données des relevés géologiques et hydrogéologiques détaillés,
ainsi que l’information sur les valeurs des écoulements superficiel et souterrain, des concentrations chimiques
des eaux et des transports solides de 127 bassins versants. Dans la région considérée, la valeur considérée
varie de 1,1 à 62,0 mm/ millénaire. On note le rôle prédominant des conditions climatiques, en particulier des
précipitations, pour le développement du karst de Sibérie et d’Extrême-Orient : l’augmentation des
précipitations conditionne la vitesse de l’érosion des calcaires. On met en évidence une différence essentielle
de l’intensité du processus karstique opposant les bassins versant contenant un pergélisol à ceux n’en
contenant pas.
MOTS CLÈS: érosion karstique, érosion des calcaires, précipitations, pergélisol, Sibérie, Extrême-Orient.
Introduction
Plus de 20 % du territoire de Sibérie et
d’Extrême-Orient montrent des manifestations
karstiques. On trouve le karst tant dans les
zones plissées de montagnes que dans les
régions de plaines de plateformes. Il se
développe dans des roches de lithologies
différentes (calcaire, gypse, sel) et d’âges
géologiques variés. Le karst calcaire est
prédominant (fig. 1, photos 1-2).
La valeur de l’érosion des calcaires
(érosion karstique) est la caractéristique
principale de l’évolution récente des régions
karstiques (exprimée en m3/km2/an ou en mm
par millénaire), qui est largement utilisée tant
pour l’évaluation régionale de l’intensité des
processus karstiques (Gams, 1966; Gombert,
1995; etc.) que pour étudier leur zonalité et les
particularités
locales
(Pulina,
1974;
Bakalowicz, 1979; Yoshimura et Inokura,
1997). Les premiers essais d’évaluation de
l’intensité de l’évolution du relief karstique en
la Sibérie et en Extrême-Orient ont été
effectués par le chercheur français J. Corbel
(1957), qui a calculée celle-ci pour certains
bassins versants de la région. Ensuite, en 1968,
l’érosion karstique a été estimée dans le bassin
versant d’Agata (chaîne de basses montagnes
de Solgon) par V.I. Beliak et dans les vallées
du Sud de l’amphithéâtre d’Irkoutsk par M.
Pulina. À ce jour, le problème fondamental de
l’estimation de l’érosion karstique n'avait pas
été effectué pour les vastes régions de Sibérie
et d’Extrême-Orient.
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Elena V. Trofimova
Fig. 1. La région d’étude.
Photo 1. L’arche karstique du lac Baïkal (cliché de
l’auteur).
Photo 2. Les stalactites de la grotte d’Argaracan (cliché
de l’auteur).
Particularités du développement récent du karst calcaire de Sibérie et d’Extrême-Orient
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Les méthodes des calculs
Dès 1915, le chercheur russe A.A. Kruber
(son nom a été donné au gouffre le plus
profond du monde connu aujourd’hui, le
gouffre Krubera) avait proposé une formule
pour estimer la vitesse de l’érosion karstique:
θ = n × a × 365 × 24 × 60 × 60 (1)
où θ est la quantité de la carbonate dissoute,
exportée du massif karstique en une année,
exprimée en gramme; n est le débit de la
source karstique, en l/s; a est la quantité en
grammes de carbonate, dissoute dans 1 litre
d’eau (pour A.A. Kruber cette valeur est de
0,25). En utilisant la formule (1), il a calculé
que la seule source d’Ayan en Crimée (plateau
de Tchatirdag) exportait 18 877 500 kg de
carbonate dissous par année. L’augmentation
du cavernement peut atteindre 7 260 m3 par
année.
Selon N. V. Rodionov (1949), la vitesse du
processus karstique se détermine par la relation
entre le volume des roches dissoutes (w) qui
est exporté par l’eau souterraine et le volume
global des roches karstifiables (V):
A = (w / V) × 100
(2)
Cette relation, exprimée en pourcentages
(%), s’appelle en Russie indice d’activité du
processus karstique. Pour la Crimée (plateau
de Tchatirdag), l’activité est de 0,15-0,20 %
par millénaire.
En 1957 le Français J. Corbel a proposé de
calculer la valeur de l’érosion dans les régions
calcaires selon l’expression :
X = 0,04 × E × T × n
(3)
où X est la dissolution superficielle des
calcaires en m3/km2/an ou en mm par
millénaire; E est la valeur de l’écoulement en
dm; T est la teneur moyenne de CaCO3 en
mg/l; n est la proportion de roche karstifiable
du bassin versant. La formule (3) ne concerne
que la dissolution superficielle. Pour la
dissolution profonde (X') elle est de :
X'= 0,04 × E' × T' × n
(4)
où E' est l’hauteur d’eau souterraine écoulée
en dm ; T' est la teneur moyenne de CaCO3 des
eaux profondes en mg/l. L’érosion totale des
calcaires est la somme de la dissolution
superficielle, de la dissolution souterraine et de
l’érosion mécanique.
En 1968 M. Pulina a proposé une
modification de la méthode de J. Corbel. La
formule est:
D = 0,0126 × T × V
(5)
où D est l’érosion chimique du karst;
T = T1 – Ta, en mg/l ; T1 est la minéralisation
des eaux karstiques, Ta est la minéralisation
des précipitations et des eaux qui a été
apportée par l’écoulement transitaire; V est le
module spécifique exprimé en l/s km2.
Le coefficient 0,0126 tient compte du poids
spécifique de CaCO3 (2,5) et le nombre de
secondes dans l’année pour l’écoulement.
Actuellement, en Russie (dans les
conditions de réseau avec des observations
hydrométéorologiques et hydrochimiques
rares) la méthode de J. Corbel et l’approche de
M. Pulina sont les plus utilisées pour les
calculs de l’érosion des calcaires.
L’analyse des résultats des calculs de l’érosion karstique
Dans notre étude a permis une estimation
de la valeur de l’érosion calcaire pour toute la
Sibérie et l’Extrême-Orient. La délimitation
des régions karstiques a été consignée sur la
carte (Fig. 1), préparée à partir de la
bibliographie sur le karst du secteur d’étude et
par la collecte des données des relevés
géologiques et hydrogéologiques détaillés.
Quant à l’information sur l’écoulement
superficiel et souterrain, les concentrations
chimiques des eaux superficielles et les
transports solides pour les 127 bassins versants
où se manifeste le karst calcaire, elle a été
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Elena V. Trofimova
obtenue en consultant les données du Service
Hydrométéorologique
Russe
et
des
explorations des expéditions.
Les calculs par la méthode de J. Corbel
L’analyse des données des calculs pour les
125 bassins versants indique que les quantités
de l’érosion karstique (érosion totale des
calcaires)
présente
une
variabilité
considérable: de 1,1 à 62,0 mm/millénaire.
Pour comparaison, selon J. Corbel (1957),
cette quantité change de 1,1 à 38,3
mm/millénaire. Le maximum s’observe dans
les régions de basses et moyennes montagnes
de l’Altaï, dans la vallée d’Anuï (affluent
gauche de l’Ob) (marqué N 3 selon la Fig. 1).
Les roches karstifiables sont représentées par
les couches épaisses de calcaires, dolomies et
marbres
du
Protérozoïque
(Riphéen),
Cambrien,
Silurien
et
Dévonien.
Fréquemment, on observe en coupe verticale et
en surface, une alternance de roches
karstifiables avec des dépôts imperméables.
On note une fissuration importante de ces
roches.
Les
formes
karstiques
sont
représentées par des dolines en entonnoirs, des
pertes, des sources karstiques, des abîmes et
des grottes; parfois on observe des champs de
lapiés, des dépressions karstiques et des arches
naturelles. En moyenne annuelle, la lame d’eau
écoulée superficielle est de 173 mm (les
précipitations sont de 430 mm). Les eaux de
l’Anuï se distinguent par une dureté élevée: en
période d’étiage d’hiver, la valeur atteint 5,21
mg-eq. Le transport solide moyen annuel est
d’environ 140 t/ km2.
Le minimum de l’érosion karstique
coïncide avec les régions de relief des
montagnes de Zabaïkalie (N 84, 85) (sud de
Sibérie Orientale), dans les vallées de Borsya
et de Turga (affluents de l’Onon). L’épaisseur
des calcaires, subdivisés en deux bancs
principaux et séparés par des couches de
roches imperméables (épaisseur entre 30 et 70
m), est de 400 m. Ces roches sont rapportées
au Paléozoïque et les couches sont très
disloquées. On observe ici des dolines en
entonnoirs, des pertes, des abîmes, des grottes
et des champs de lapiés. Bien que la dureté de
l’eau en période d’étiage d’hiver soit de 1,68 à
2,3 mg-eq, l’intensité du développement du
processus karstique dans cette région est
insignifiante. La raison principale est la faible
humidité de ce territoire, or l’humidité est un
facteur fondamental de la karstification. La
lame d’eau écoulée annuellement ici n’est que
de 20 à 22 mm, avec des précipitations de 323
à 368 mm. Les transports solides ne sont que
de 1,3 t/km2 par an.
Les calculs par la méthode de M. Pulina
L’estimation de l’érosion chimique du karst
par la méthode de M. Pulina n a été effectuée
que pour 31 bassins versants. La plupart des
127 bassins versants considérés précédemment
ont une composition géologique complexe : les
roches karstifiables y alternent avec les roches
imperméables. C’est pourquoi il est difficile,
surtout en l’absence de réseau d’observations
hydrochimiques bien développé en Russie, de
choisir une concentration chimique des eaux
des rivières qui traversent des roches
imperméables. À cause de cela, nos
évaluations se sont basées sur l’information
hydrochimique obtenue pour les bassins
versants lesquels se distinguent par la présence
ininterrompue de roches karstifiables. Lors des
calculs on a tenu compte de la concentration
chimique des précipitations (données du
Service Hydrométéorologique Russe).
Avec la méthode M. Pulina, en Sibérie et
en Extrême–Orient l’érosion chimique du karst
varie de 1,54 à 52,8 mm par millénaire. Le
maximum se trouve au sud du lac de Baïkal,
dans la vallée de Kultuchnaпa (N19). C’est
une région de roches carbonatées de
l’Archéen. La particularité des manifestations
karstiques
de
ce
secteur
est
leur
développement le long des zones de
déformations tectoniques. On rencontre ici une
multitude de sources karstiques et de pertes. La
grande intensité des processus karstiques est
conditionnée par la grande valeur du module
spécifique (23,7 l/s km2). Le minimum de
l’érosion karstique est observé sur le littoral de
la mer de Tchoukotsk. Les roches karstifiables
sont représentées par les calcaires, les
dolomies du Protérozoïque supérieur ou du
Paléozoïque. On observe des dolines en
entonnoirs et des niches de corrosion. La
Particularités du développement récent du karst calcaire de Sibérie et d’Extrême-Orient
quantité négligeable de l’érosion karstique est
conditionnée par une concentration faible des
eaux superficielles (24,8 mg/l), un module
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spécifique (6,74 l/s km2), et une concentration
chimique des précipitations de 6,7 mg/l.
Le rôle prédominant des conditions climatiques quant au
développement du karst de Sibérie et d’Extrême-Orient
Fig. 2. Relations entre l’érosion chimique du karst
calculée par la méthode de M. Pulina, les précipitations
annuelles et les températures annuelles de l’air.
Fig. 3. Relations entre l’érosion des cacaires, estimée par
la méthode de J. Corbel, et les précipitations annuelles
pour les bassins versants de structure géologique
hétérogène.
Le
climat
constitue
la
principale influence
quant à l’intensité de
la
manifestation
karstique:
la
corrosion karstique
dépend notamment
des
processus
biologiques
et
chimiques, qui ont
lieu dans le sol et
dans la végétation
recouvrant la roche.
À son tour, le sol et
végétation dépendent
des quantités de
précipitations et des conditions de température.
Au départ on a réalisé l’analyse des
relations
entre
l’intensité de l’érosion
chimique du karst /DP/
déterminée
par
la
méthode de M. Pulina
(Fig. 2) et la valeur des
précipitations
moyennes annuelles et des
températures de l’air.
La Fig. 2a montre,
d'une
part
que
l'augmentation
des
valeurs des précipitations détermine une
augmentation
de
l’érosion
chimique,
d'autre par que deux
types
de
relations
étudiées se distinguent : le premier concernant
la partie méridionale du pergélisol a été
cartographié
(La
glaciation...,
1984) ;
deuxième est sans pergélisol. Quant à la Fig.
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Elena V. Trofimova
2b, elle ne valide pas de relations identi-ques.
Apparemment la raison de ceci est la suivante:
d’une part, dans la région de recherche, le
réseau d’observa-tions sur les températures
d’air est réduit en comparaison de celui des
précipitations.
Fig. 4. Relations entre l’érosion karstique estimée par la
méthode de J. Corbel et les précipitations annuelles pour
les bassins versants de structure géologique homogène.
Par exemple, la relation du nombre des stations
sur les observations des précipitations et sur
les températures de l’air est de 1 à 2,1 pour les
régions de Krasnoïarsk et de Tuva, de 1 à 1,8
pour la Ïakoutie et de 1 à 2,3 pour la Primorie
(Extrême-Orient), etc. C’est pourquoi les
données des observations sur les températures
de l’air « souffrent » d’une mauvaise précision.
D’autre part, il apparaît que les relations entre
la dénudation karstique et les précipitations
sont très complexes.
Ensuite, on a étudié les relations entre la
valeur de l’érosion des calcaires, évaluée par la
méthode de J. Corbel, et les précipitations
annuelles pour 125 bassins versants (pour 2
bassins versants il n’y pas des données de
dureté). Selon la Fig. 3, il est évident que la
relation considérée est absente. Si, nous
examinons seulement 28 bassins versants, qui
sont homogènes par rapport au développement
des roches karstifiables, avec une information
quant à la dureté de l’eau, alors il est possible
de relever les relations entre la valeur de
l’érosion de calcaires et les précipitations
annuelles (Fig. 4). De plus, comme dans le cas
du calcul par la méthode de M. Pulina, on
observe la même division de relations. Le
premier type coïncide avec les bassins versants
possédant un pergélisol, et le deuxième avec
les bassins versants sans pergélisol. Notre
recherche séparée, dans les bassins versants
homogènes, s’explique de la manière suivante.
Les calculs de l’érosion des calcaires sont
réalisés directement sur le bassin versant. À
leur tour, dans le même bassin versant, les
roches karstifiables et imperméables, avec des
aquifères séparés, peuvent se trouver avec des
proportions différentes. Bien que la formule de
J. Corbel tienne compte du pourcentage de
roches karstifiables, l’influence du karst dans
la vallée est plus compliquée que ne l’indique
la proportion. C’est pourquoi nous avons
considéré l’érosion karstique des bassins
versants de géologie homogène. Néanmoins la
notion même de bassin versant est très
conventionnelle dans les régions karstiques.
Alors, on observe que les relations étudiées
sont stables pour toutes les composantes de
l’érosion totale des calcaires /Dt/: superficielle
/Dsup/; souterraine /Dsout/ et mécanique /Dméc/
(Fig. 4 a,b,c,d). L’importance statistique des
relations révélées s’affirme par les valeurs des
coefficients hautes de corrélation (R)
(Tableau 1).
Il est universellement connu que la
précision des observations sur les transports
solides est faible, c’est pourquoi les plus
mauvaises relations ont été obtenues pour les
précipitations avec la composante mécanique
de l’érosion totale des calcaires.
D’après les calculs de la méthode de M.
Pulina (Fig. 2), si on examine le cas du
processus karstique d’intensité de 10
mm/millénaire, il faut que les précipitations
Particularités du développement récent du karst calcaire de Sibérie et d’Extrême-Orient
atteignent une hauteur de 780 mm dans les
régions où le pergélisol n’existe pas ; et
seulement 310 mm dans les conditions de
pergélisol. On observe la même chose pour
l’érosion des calcaires, qui a été estimée par la
méthode de J.Corbel: pour l’érosion totale
cette relation est de 705 et 295 mm; pour la
dissolution superficielle, la relation est de 820
et 405 mm; pour la dissolution souterraine
d’une intensité de 2,5 mm/millénaire elle est
de 830 et 325 mm. Or, avec les mêmes
conditions d’humidité, pour l’évolution du
relief karstique dans les bassins versants avec
le pergélisol il faut beaucoup moins d’eau que
dans ceux sans pergélisol. Comment expliquer
ces résultats?
Dans des conditions de pergélisol, les
rivières se caractérisent par une durée de prise
de glace de 6 mois en moyenne. En hiver, le
niveau des aquifères s’abaisse et il n’y a pas
d’entrée de l’eau dans le massif karstique.
C’est pourquoi les processus de dissolution des
roches cessent. Les températures moyennes
annuelles (négatives) de l’air apportent leur
contribution à ce processus, en entraînant une
décomposition lente des débris organiques (les
plus importants producteurs de CO2 dans les
systèmes karstiques).
U. P. Parmusin (1954) note que le
pergélisol recueille et conserve l’eau, en
produisant des conditions favorables au
209
processus de karstification. En effet, au
printemps et en été le pergélisol conditionne
les basses températures du sol et par
conséquence de l’eau qu’il contient. C’est
pourquoi l’évaporation potentielle de la
surface du sol est proche de zéro. La faible
quantité de précipitations, qui est typique pour
les régions froides (au-dessous de 500 mm par
an) est compensée par la faible évaporation.
De plus, les sols condensent en surface de la
vapeur d’eau, parce qu’il y a une grande
différence entre les températures de l’air et du
sol, surtout dans la journée. À leur tour, les
eaux sous le pergélisol se condensent sous la
surface du sol. L’horizon du pergélisol est
imprégné par d’eau. C’est pourquoi les
paysages des marécages sont largement
répandus en Sibérie, alors que les totaux de
précipitations sont très faibles étant similaires
à celles connues dans les régions de steppe et
même les semi-déserts.
En général, comme montent les Fig. 2 et 4,
on note une augmentation de l’érosion
karstique avec la croissance des précipitations.
Par exemple, lors de l’augmentation des
précipitations de 100 mm, la méthode de J.
Corbel donne un accroissement d’intensité du
processus karstique pour les conditions du
pergélisol de 6,9 mm/millénaire et sans
pergélisol, de 15,1.
Conclusion
1. En Sibérie et en Extrême-Orient, partout
dans des conditions de pergélisol et sans
lui, on observe le développement de reliefs
karstiques. L’intensité des processus varie
de 1,1 à 62,0 mm/ millénaire.
2. On note une différence essentielle de
l’intensité de la manifestation du processus
karstique pour les bassins versants qui
renferment un pergélisol et ceux qui n’en
ont pas. Le pergélisol est un facteur
important pour la karstification.
3. L’augmentation des précipitations est
corrélée avec celle de l’érosion des
calcaires. Pour les conditions de pergélisol
cette
augmentation
est
de
6,9
mm/millénaire
par
100
mm
de
précipitations et de 15,1 mm/ millénaire
pour les bassins versants sans pergélisol.
4. Nos calculs ont introduit une correction
essentielle quant aux premières notions
d’intensité du développement du karst en
Sibérie et en Extrême-Orient: selon les
calculs de J. Corbel (1957) ces valeurs
sont de 1,1 à 38,3 mm/ millénaire ; les
nouvelles mesures (données de plusieurs
années des 125 bassins versants) indiquent
des chiffres de 1,1 à 62,0 mm/ millénaire
210
Elena V. Trofimova
.
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