extrait 88 monumental 2006 Dossier Les grottes ornées L’environnement hydrogéologique et climatique Roland Lastennet Enseignant chercheur, université de Bordeaux I, centre de développement des géosciences appliquées Depuis sa découverte et jusqu’à 1963, la grotte de Lascaux a fait l’objet de plusieurs phases d’aménagement dont le souci premier était de faciliter la venue et le séjour des visiteurs. Un système de régulation de l’air souterrain permet, depuis juillet 1965, de contrôler les e≠ets des variations de température et d’humidité sur les parois d’une partie de la grotte. Ce système assurait, croyait-on, de bonnes conditions de conservation aux œuvres préhistoriques. La grotte appartient au réseau supérieur fossile d’un karst comblé en grande partie par un remplissage sablo-argileux. Elle est constituée par une suite de galeries qui convergent vers une galerie principale. Compte tenu de la géométrie de la cavité, les parties ornées sont à di≠érentes profondeurs. Jacques Brunet Ingénieur de recherche, LRMH Problématique de l’environnement Le cadre hydrogéologique Depuis les travaux de la commission scientifique de 1963, il est admis que la circulation par convection de l’air de la cavité est impliquée dans la vie de la grotte. 1 On a remarqué, à l’époque , que la ventilation dans l’ensemble sas-salle des Taureaux-diverticule axial était essentiellement du type convectif et il en était probablement de même pour les deux autres ensembles puits-salles ensablées et diverticule de droite. Il a été constaté la possibilité de forts ruissellements en période de pluie dans les salles ensablées et dans les cheminées élevées de la galerie Mondmilch, ces deux zones de ruissellement pouvant constituer des points froids. À l’époque, l’hypothèse de l’existence d’une autorégulation à partir des éboulis terminaux des salles ensablées et de la galerie Mondmilch trouvait peut-être ici une explication ! Près de cinquante ans après, dans un contexte microclimatique di≠érent, on est arrivé à nouveau à s’interroger sur cette hypothèse. La géologie de la colline de Lascaux Philippe Malaurent Ingénieur, université de Bordeaux I, centre de développement des géosciences appliquées 1. Cf. les travaux de Paul-Marie Guyon. Lascaux : une grotte sous influence 2. Surface de dissolution de roche carbonatée en milieu aérien caractérisé par des rigoles, cannelures et sillons, crevasses… Dans l’ensemble salle des Taureaux-diverticule axial, la circulation par convection de l’air s’e≠ectue naturellement une partie de l’année, puis est entretenue artificiellement par une machinerie. Pour que cette convection s’accomplisse, la cavité étant descendante, il faut que la température de l’air des parties profondes soit supérieure à celle des parties proches de la surface. La température des parties profondes varie peu en fonction du temps et est la résultante d’un équilibre subtil entre la transmission de la chaleur par le sol, les variations de température en surface, les calories portées par les fluides qui s’infiltrent (eau, vapeur d’eau, air…), les échanges de chaleur aux parois dans la cavité (changement de phase, convection, rayonnement…). Les variations des flux ainsi engendrés au droit des parois n’ont pas un e≠et nul quant à la conservation. Celles-ci peuvent engendrer des phénomènes de dépôts de calcite ou, au contraire, être agressives pour le support. La grotte de Lascaux se situe sur une colline formant une butte témoin (cote 214 mètres) du fait de l’érosion par les rivières attenantes, la Vézère à l’ouest et le Doiran au nord. Elle fait partie d’un paléokarst localisé dans les formations géologiques du coniacien moyen et supérieur qui montrent une structure quasi tabulaire (pendage inférieur à cinq degrés). Du point de vue lithologique, les roches du crétacé supérieur, dans lequel s’est développée la grotte de Lascaux, sont des calcaires gréseux bioclastiques à nombreux fossiles coquilliers souvent silicifiés. La géomorphologie du secteur est remarquable en raison de la présence de profonds sillons comblés par des remplissages sablo-argileux qui entaillent les calcaires de part et d’autre de la cavité. Ces remplissages probablement tertiaires sont di≤ciles à dater. Des prospections, e≠ectuées par des sondages géotechniques et par des mesures géophysiques grâce à des méthodes électrique et électromagnétique, ont permis de déterminer une profondeur de ces paléocanyons pouvant atteindre quinze mètres. Les cartes de résistivité élaborées révèlent des structures géomorphologiques de direction armoricaine N145 correspondant aux principales failles régionales. Le contexte dans lequel se trouve la grotte est donc 2 un grand lapiaz formé sous climat chaud et humide de type tropical. La karstification, à l’origine de la grotte, dissolution des calcaires sous l’e≠et des circulations d’eau de pluie acide chargée en CO2 du sol, s’est produite suivant les autres directions de fracturation à l’échelle locale. Ainsi, la salle des Taureaux, suivi du diverticule axial, est de direction N110 (direction pyrénéenne) ; l’autre galerie, diverticule de droite et galerie Mondmilch, est quasi nord-sud. 89 89 Figure 1 Cicatrices d’écailles recouvertes de calcite au dos de l’animal mythique appelé la licorne, sur la paroi gauche de la salle des Taureaux. Figure 2 Détail de la frise avec la licorne et les chevaux, paroi gauche de la salle des Taureaux. Ph. Dominique Bouchardon. © LRMH, 2004. Joint calcifié Cristaux de calcite 1. 2. 90 monumental 2006 Dossier Les grottes ornées Description des écoulements dans la cavité Conséquences sur la conservation Le sas 1, compartiment 3, est le siège d’émergences temporaires, actives en moyenne d’octobre à juin, qui s’écoulent à la faveur de joints de stratification visibles sur la voûte. Cette discontinuité hydraulique accentuée par un horizon imperméable centimétrique se prolonge au moins jusque dans la salle des Taureaux et a, semblet-il, protégé des infiltrations la voûte ornée du diverticule axial. Entre la surface du sol et ce niveau imperméable, les calcaires sont fissurés. Pour H. Schoeller, la nappe temporaire qu’ils renferment est alimentée par la pluie tombant directement sur les a≥eurements calcaires ou impluvium. Cependant, les résultats très récents (travaux de R. Lastennet, en cours) sur la géochimie de l’eau permettent de penser que des eaux venant des sables des remplissages pourraient soutenir cet écoulement. Le régime hydrogéologique de cette nappe perchée est calqué sur le régime climatique. Les débits varient entre 0 et 20 mètres cubes par jour en fonction de la saison, de l’importance de l’événement pluvieux et des conditions d’écoulement dépendant de la recharge du système épikarstique (zone supérieure altérée du karst). Le décalage entre la pluie et le pic des débits, déterminé par traitement du signal [1], est de l’ordre d’une vingtaine d’heures en période de recharge et l’influence d’une pluie sur les débits d’une douzaine de jours en moyenne. En perturbant la température sur la paroi et en assurant un taux d’humidité relative de l’air avoisinant les 100 %, l’eau qui circule dans le massif a un impact certain sur la climatologie de la grotte. Les études hydrogéologiques [2] soulignent l’importance de cette nappe qui alimente les écoulements au sas et qui assure un taux d’humidité dans le massif, contribuant ainsi aux écoulements observés aux joints de la salle des Taureaux. Les sécheresses successives de 2004 et de 2005 ont été marquées par un décalage spectaculaire de la reprise des écoulements, d’octobre à février (fig. 4 a), et par un assèchement important de la grotte. Lascaux Comme précédemment cité, un autre écoulement est observable dans la grotte au niveau des joints stratigraphiques visibles dans la salle des Taureaux. Il s’agit d’un écoulement de type matriciel (cet écoulement s’e≠ectue par les pores de la roche et non par de grandes fissures), les joints jouant le rôle de drains. Il n’y a pas de concomitance avec l’écoulement au sas 1 et les décalages temporels peuvent être de plusieurs mois. Ainsi, en 2004, des suintements aux joints sont apparus fin août, trois mois après le tarissement situé au sas. Cet écoulement a eu lieu au droit de certains panneaux ornés et contribue à l’altération des parois. Des suintements provenant de la voûte sont observables dans la galerie Mondmilch le long de concrétions de calcite. De même a-t-on repéré des infiltrations temporaires importantes causées par des épisodes pluvieux intenses sur la voûte du cabinet des Félins. En période hivernale, les épisodes de crue peuvent entraîner une baisse notable de la température de la roche, de l’air et, bien entendu, une baisse des pressions partielles de vapeur d’eau de l’air dans la salle des machines. Cet air, en circulant par convection et en se réchau≠ant au contact des parois de la salle des Taureaux, peut les assécher, en ayant des incidences sur leur conservation (exemple des précipitations de sels sur la figure 1). Cela correspond à l’arrivée d’eau relativement froide (pluie, neige fondue) à l’exutoire de la nappe. En revanche, en fin de période estivale, une augmentation très rapide du débit de l’eau de la nappe peut être responsable de l’élévation de la température de l’air, ce qui, en l’absence d’assistance climatique, se traduirait par des condensations sur les parois ornées dont la température n’a pas eu le temps de s’équilibrer. Déterminer les équilibres calco-carboniques d’une eau consiste à mesurer son pH (teneurs en ions H +) et son alcanilité (esssentiellement teneur en bicarbonates, HCO3-, pour ce type d’eau), ainsi que les ions majeurs dont le calcium, pour identifier sa force ionique. En fonction de l’acidité de l’eau (expliquée surtout par le CO 2 dissous ou acide carbonique), une certaine quantité de calcite (CaCO3) peut être dissoute jusqu’à atteindre l’équilibre avec la roche calcaire, cela en fonction de la solubilité de la calcite (fig. 3). Plus la pression de CO2 dissous (pCO2) sera importante, plus de la calcite pourra être dissoute (jusqu’à 360 mg/litre dans les eaux de Lascaux). Inversement, si trop de calcite est contenue dans l’eau lors d’un dégazage de CO2 de celle-ci (passage en zone aérée), de la calcite précipitera. Le suivi des équilibres calco-carboniques entrepris, entre 2003 et 2006, dans les eaux du sas et des autres écoulements de la grotte a permis de montrer que ces eaux étaient toujours incrustantes car sursaturées vis-à-vis de la calcite (fig. 4b). Elles sont donc susceptibles de précipiter et d’encroûter les surfaces en contact (fig. 1). Les pressions de CO2 équilibrantes de ces eaux sursaturées sont de l’ordre de 2 à 3 %. Elles monteraient jusqu’à 5 % pour des eaux en équilibre avec la phase solide, constituant des pressions anormalement élevées, relativement à la littérature sur les eaux karstiques. En e≠et, la valeur de pCO2 dans un sol est classiquement de l’ordre de 1 à 2 %, le CO2 provient de l’activité biologique (oxydation de la matière organique). Ce CO2 se dissout dans l’eau lors de l’infiltration des eaux de pluie pour atteindre une concentration proche de celle du sol. Les fortes teneurs atteintes à Lascaux 1/03/06 1/02/06 1/01/06 1/12/05 1/1 1/05 1/10/05 1/09/05 1/08/05 1/07/05 1/06/05 1/05/05 1/04/05 1/03/05 1/02/05 1/01/05 1/12/04 1/1 1/04 1/10/04 1/09/04 1/08/04 1/07/04 1/06/04 1/05/04 1/04/04 1/03/04 1/02/04 1/01/04 1/12/03 1/1 1/03 1/10/03 1/09/03 10 20 30 40 28 juin 05 16 février 06 50 20 décembre 04 Les recherches actuelles destinées à comprendre ce phénomène ont rendu possible l’identification des zones riches en CO2 dans les remplissages (8,5 %) à proximité de la cavité. Ce gaz peut ensuite di≠user dans le massif calcaire et se piéger dans des secteurs privilégiés. 0 mm 31 juin 04 Par ailleurs, la grotte de Lascaux est aussi connue pour ses teneurs en gaz carbonique très élevées, mesurées au puits du Sorcier. Des teneurs allant jusqu’à 8 % ont incité la première commission scientifique à mettre en place une extraction de ce CO2 par pompage. 20 19 18 17 16 15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 31 octobre 03 nous incitent à étudier les processus de production ou de reconcentration du CO2 dans l’environnement de la grotte (thèse Benjamin Lopez en cours). 1/04/06 91 Lascaux : une grotte sous influence. L’environnement hydrogéologique et climatique 60 70 80 3 -1 m j Figure 3 Dépôt de calcite sur la paroi du passage entre la salle des Taureaux et la nef. 4 a. Figure 4 a Hydrogramme au toit du sas 1, compartiment 3. Ph. Dominique Bouchardon. © LRMH. Pluies en mm Q en m 3 j - 1 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0 -0,2 -0,4 8% 6% 4% 2% 1/04/06 1/03/06 1/02/06 1/01/06 1/12/05 1/ 1 1/05 1/10/05 1/09/05 1/08/05 1/07/05 1/06/05 1/05/05 1/04/05 1/03/05 1/02/05 1/01/05 1/12/04 1/ 1 1/04 1/10/04 1/09/04 1/08/04 1/07/04 1/06/04 1/05/04 1/04/04 1/03/04 1/02/04 1/01/04 1/12/03 1/ 1 1/03 1/10/03 1/09/03 0% 4 b. Figure 4 b Suivi de la saturation et des pressions de CO2 équilibrantes des eaux de l’émergence du sas 1, compartiment 3. Indice de saturation vis-à-vis de la calcite des eaux de l’émergence du sas 1 Indice de saturation vis-à-vis de la calcite des eaux du haut de la voûte du sas 1 Pression partielle équilibrante en CO2 (%) des eaux de l’émergence du sas 1 Pression partielle équilibrante en CO2 à saturation (%) des eaux de l’émergence du sas 1 3. 92 monumental 2006 Dossier Les grottes ornées Une situation climatique naturelle instable Bibliographie [1] R. Lastennet, A. Denis, Ph. Malaurent, J. Vouvé, « Behaviour of the epikarstic aquifer: signal analysis and flow analysis. Site of Lascaux Cave », dans Contribución del estudio cientifico de las cavidades kársticas al conocimiento geológico, B. Andreo, F. Carrasco y J. J. Duran (Eds), Patronato de la Cueva de Nerja, Nerja Málaga, 1999, p. 363-370. [2] B. Lopez, R. Lastennet, C. Emblanch, A. Denis, « Utilisation du signal en carbone 13 dans le traçage des eaux épikarstiques. Cas de la grotte de Lascaux (Dordogne) », actes du colloque international d’hydrogéologie karstique, CHYN, Neuchâtel, Suisse, septembre 2006. Lascaux [3] J. Brunet, Ph. Malaurent, « The complex story of Lascaux cave from its discovery to now. Influence and conservation method of moisture in tomb or cave », dans The Seminar on the Conservation and Restoration for Cultural Properties, National Research Institute for Cultural Properties, Tokyo, 2004, p. 1-9 (en japonais) et p. 55-65 (en anglais). Durant quarante ans, di≠érentes méthodes liées à des disciplines diverses ont permis de décrire l’état physique de la cavité [3]. Les approches présentées ici donnent lieu maintenant à une visualisation concrète des écoulements et des champs de variables physiques (température, humidité). De 1965 à 1981 (fig. 6), le gradient de température dans la cavité est conforme au schéma de fonctionnement défini par la commission scientifique de 1963. En hiver, l’ordre des températures est croissant de la surface vers la profondeur ; en été, cet ordre est maintenu artificiellement par abaissement volontaire de la température de l’air dans une partie artificielle non décorée (la salle des machines). Depuis 1981, les évolutions des températures mesurées indiquent que les parties profondes de la cavité deviennent plus froides que la surface. Le phénomène observé est bien d’origine naturelle et n’est pas dû au refroidissement artificiel de la cavité, provoqué par la machinerie. L’étude non exhaustive des documents d’archives de la Drac Aquitaine établit une correspondance entre les préoccupations concernant la conservation de la grotte et certaines périodes. Dans le détail, lorsque les courbes représentatives des températures calculées correspondant aux points les plus profonds sont les plus basses, les convections se font plus di≤cilement. Ainsi, on peut déduire que, de 1965 à 1981, les conditions thermiques souterraines, liées à la propagation des ondes thermiques externes en particulier, sont favorables à l’établissement d’un régime de circulation de l’air par convection, entre le fond du diverticule axial et la salle des Taureaux. Depuis 1981, ce régime de circulation de l’air par convection est a≠ecté par l’impact de l’évolution climatique sévissant à l’extérieur. Cela se traduit par l’inversion des températures dans la cavité. De 1970 à 1981, les températures mesurées dans la roche, dans le fond du diverticule axial (DFR), sont supérieures à celles mesurées à la voûte de la salle des Taureaux (TVR). Depuis cette période, les températures relevées à la voûte de la salle des Taureaux sont supérieures à celles du diverticule axial. Ce dernier mécanisme est responsable de conditions de moins en moins favorables à l’établissement de convection. Il a pour conséquence de perturber la régulation du climat souterrain telle qu’elle avait été définie par les chercheurs de la commission d’études scientifiques en 1965. La tendance à l’inversion du sens de la convection, observée ces dernières années, est-elle à l’origine des désordres constatés ? Conséquences pour la conservation Deux risques majeurs peuvent a≠ecter la conservation de la cavité : risque de condensation de la vapeur d’eau de l’air ambiant susceptible d’entraîner, par la fragilisation du support carbonaté, la destruction des tracés (à ce risque, on devra ajouter le rôle du gaz carbonique de l’air, qui, en acidifiant l’eau, la rend encore plus agressive) ; risque d’usure des parois, susceptible de porter atteinte à l’intégrité des tracés (peints ou gravés) et au support. Exemple de condensation Nous savons par expérience que le fond du diverticule axial, notamment la vitre protégeant le tracé de l’hémione, est très facilement envahi d’eau de condensation. La tête du grand taureau (fig. 5) se couvre régulièrement, à certaines périodes de l’année, de grosses gouttes d’eau isolées, entre les cornes. En avril 2001, pour ce tracé peint préhistorique, pratiquement tout le corps de l’animal était couvert de gouttes d’eau. L’origine du phénomène est imputable au bouleversement des échanges naturels du microclimat souterrain provoqué par des travaux se déroulant à l’entrée de la grotte et au retard de la mise en fonctionnement de l’assistance climatique qui était l’objet de ces travaux. Exemple d’usure de la paroi L’observation des parois montre que leur état résulte de mécanismes complexes ; l’état actuel est hérité de divers phénomènes qui se sont succédé au cours du temps. Pour un secteur particulier (entre la salle des Taureaux et le diverticule de droite), nous retiendrons de façon très synthétique les phases suivantes : une phase de circulation de l’eau, responsable du creusement des galeries et du modelé des parois, avant la réalisation des tracés préhistoriques, et une phase d’usure des parois par circulation de l’air depuis l’exécution des tracés. Ces deux hypothèses formulées seront prises en considération dans le cadre du contexte défini pour la modélisation (cf. l’article « Le simulateur Lascaux : un outil d’aide à la décision pour l’avenir de la préhistoire » p. 94-97). La cavité possède deux régimes hydrogéologiques distincts : l’un correspondant à une nappe phréatique superficielle temporaire dont le débit peut être important et un autre dû à l’activité non mesurable des joints. L’influence de la nappe, via le climat de la salle des machines et de la galerie Mondmilch, sur l’ambiance souterraine n’est pas négligeable, notamment dans le sas 2 et la salle des Taureaux. Ainsi, l’arrivée, en périodes hivernales, d’eau relativement froide aux exutoires de la nappe se traduit par une baisse des températures de la roche et de l’air susceptible d’entraîner l’instauration de conditions moins favorables à la bonne conservation 93 Lascaux : une grotte sous influence. L’environnement hydrogéologique et climatique des tracés préhistoriques. L’influence du changement notable du climat extérieur compromet la situation d’équilibre définie dès 1965. Rappelons que la machinerie avait été conçue pour répondre à une demande correspondant à un besoin en harmonie avec l’environnement climatique souterrain de l’époque. La lente dérive naturelle des paramètres externes a donc des répercussions sur le climat souterrain et de fait sur la manière qualitative et quantitative de gérer la cavité. Jacques Brunet, Roland Lastennet et Philippe Malaurent 14 °C 12,8 °C 13,5 12,6 13 12,4 12,5 12,2 12 12,0 11,5 11,8 11 11,6 10,5 11,4 10 11,2 01/01/1950 01/01/1960 01/01/1970 01/01/1980 6. Figure 5 Gouttes de condensation d’eau sur le corps du grand taureau, en avril 2001. Puissant taureau à robe noire, surchargé de quatre têtes cornues jaunes et de deux silhouettes de vaches rouges au fond du diverticule axial. 5. Figure 6 Évolution de la température mesurée en surface (axe des ordonnées entre 10 et 14 °C), à la station météorologique de Gourdon (courbe a), et évolution théorique calculée de la température (axe des ordonnées entre 11,2 et 12,8 °C) dans le sol à di≠érentes profondeurs (courbe b à 20 mètres sous le sol, courbe c à 15 mètres sous le sol, courbe d à 10 mètres sous le sol), entre 1950 et 2005. Photographies et documents Ph. Malaurent, R. Lastennet et J. Brunet, sauf mentions contraires. 01/01/1990 01/01/2000