Géologie 22

 

I. ORIGINE DES LACS

L'existence d'un lac est liée à celle d'une contre-pente qui entrave ou bloque l'écoulement de l'eau. Hutchinson a recensé 76 origines possibles de contre-pentes génératrices de lacs que l'on peut regrouper en 11 grandes catégories : tectonique, volcanisme, glissement de terrain, glaciation, dissolution, action fluviale, action éolienne, action de la dynamique littorale, accumulation de matière organique (tourbe), actions d'organismes vivants (castors, sociétés humaines), impact météorites.

Pour simplifier on distinguera trois grands groupes de lacs.

I.1 Les lacs dont l'origine relève de la géodynamique interne

Les creux ou les barrages qui retiennent ces lacs trouvent leur origine dans l'activité interne du globe. La répartition de ces lacs est aléatoire par rapport aux zones climatiques. Relèvent de cette classe les lacs d'origine tectonique et les lacs d'origine volcanique.

Les lacs d'origine tectonique

On peut retenir 3 possibilités principales pour la tectonique d'être à l'origine de retenues.

Il existe une première catégorie de lacs dont l'existence est directement associée au jeu de failles et qui se localisent en position de grabens. C'est le cas le plus fréquent, et il s'agit en générale de lacs profonds. On peut retenir l'existence de deux grands ensembles de lacs qui ont cette origine. D'abord les lacs d'Asie centrale soviétique, avec les lacs Balkash, Issy-kul et surtout Baïkal. Celui-ci (31 500 km²) atteint 675 km de long pour moins de 75 km de large. Avec 1 741 m, il est le plus profond du globe. C'est un lac de graben typique.

 

 

Ensuite les lacs du rift africain, également allongés, qui s'étirent du lac Nyassa jusqu'à la mer Morte. Le lac Tanganyika est tout à fait comparable au Baïkal, avec 31 900 km², 650 km et 1 435 m de profondeur.

D'autres lacs sont logés dans des dépression tectoniques, mais non encadrées de failles. Il s'agit d'aires de subsidence dont les contours sont mal définis. Tel est la cas du lac Tchad et du lac Victoria. Certains lacs résultent enfin du basculement de vallées à la suite de mouvements à grand rayon de courbure. C'est ce qui s'est passé au Quaternaire ancien en Lucanie.

Les lacs d’origine volcanique

En schématisant on peut distinguer encore 3 catégories principales.

• Certains lacs occupent des cratères d'explosion. Ils sont en général de dimension modestes et de forme circulaire. Ils se répartissent de façon aléatoire par apport au réseau hydrographique. Il s'agit en particulier des maars de l'Eiffel et de leurs homologues du Velay (lac du Bouchet).

• D'autres lacs occupent des caldeiras, dépressions d'effondrement liées au volcano-tectonisme. Il y en a de petits, comme celui d'Issarlès, et de plus vastes comme le lac Toba de Sumatra (11 000 km²).

• De nombreux lacs sont des lacs de barrage, liés à l'obturation d'une vallée par un cône (lac Chambon), une coulée (lac d'Aydat) ou des projections massives de tufs. Au cours du Quaternaire, le cours du Tibre a été barré en plusieurs endroits et à plusieurs reprises par des coulées et des tufs entre la région d'Orvieto et la mer.

I.2 Les lacs d'origine glaciaire.

Ce sont sans doute les plus nombreux et les plus divers, mais en fonction des données paléoclimatiques, ils sont systématiquement localisés dans les montagnes et aux moyennes et hautes latitudes. Il faut distinguer au moins deux classes, suivant qu'il s'agit de régions marquées par les formes d'érosion ou d'accumulation.

 

 

 

 

 

 

Les lacs de surcreusement glaciaire

Leur existence est liée à la capacité des glaciers de travailler à contre-pente, donc d'évider des dépressions fermées. On évoquera d'abord les lacs associés aux glaciations de montagne, en distinguant les lacs de cirques (souvent minuscules), les lacs de vallées s.s., allongés ou digités et les lacs de piémont, qui sont les plus vastes et les plus profonds. Dans le cas du piémont padan des Alpes, ceux-ci occupent de puissant ombilics terminaux, creusés en dessous du niveau de la mer au débouché hors de la chaîne des langues glaciaires. De la même façon, de nombreux lacs jalonnent en Suède le bord du bourrelet au-dessus du Norrland. Sur les boucliers des hautes latitudes les inlandsis ont abandonné une topographie en creux et en bosses (fjell), née de l'exploitation par la glace de l'inégale résistance du socle (elle aurait évidé préférentiellement les secteurs où l'altération périglaciaire était la plus poussée). Il y a donc un pullulement de lacs qui ne sont ni très profonds, ni très étendus : en Finlande, 17 seulement dépassent 200 km² et le plus grand n'atteint que 4 400 km² (leur profondeur moyenne est de 18 m). Certains lacs occupent des dépressions d'érosion différentielle localisées au contact entre un bouclier et sa couverture, et surcreusées par les inlandsis. Il s'agit des Grands Lacs d'Amérique du Nord (dont le plus grand, le Lac Supérieur, dépasse 83 000 km²) et des lacs Ladoga et Onéga en Russie. Leur localisation dans des sites favorables au creusement explique leur gigantisme.

Les lacs de couverture morainique

Certains lacs, de dimensions souvent modestes, se sont installés à la faveur d'inégalités de la topographie liées à la présence de moraines. Dans certains cas, il s'agit d'un barrage établi en travers d'une vallée : lac de Nantua dans le Jura, lacs de Gérardmer et Longemer dans les Vosges. Les lacs du piémont italien des Alpes sont aussi, partiellement, des lacs de barrages (il y a à la fois surcreusement et barrage par un vallum morainique). Dans les régions qui ont été occupées par des inlandsis, comme la plaine germano-polonaise, la multiplication des lacs est associée aux irrégularités les plus récentes de la couverture morainique. Les glaciers représentent le principal agent d'évidement de cuvettes fermées. Ils n'en ont cependant pas le monopole.

 

I.3 Les lacs liés à l'évidement de cuvettes non glaciaires

Il existe au moins deux types de dépressions fermées, parfois assez vastes, aménagées par des processus d'érosion autres que glaciaires.

Les poljés

Les poljés sont des dépressions fermées à fond inondable situées dans les karsts, notamment les karsts tropicaux (Cuba ; la Jamaïque) et méditerranéens (karst dinarique, Apennin calcaire....). Ce sont des dépressions d'érosion dont le fond communique avec le réseau karstique par des ponors qui en assurent le drainage, mais qui, à certains moments de l'année, sont susceptibles de fonctionner en sens inverse et de débiter de l'eau (en hiver dans le domaine méditerranéen). Le fond des poljés est donc périodiquement inondés, en totalité ou en partie. Dans certains cas, le blocage ou l'insuffisance du drainage karstique peuvent entraîner la présence d'une nappe lacustre permanente. Le (petit) lac Stymphale, où s'est illustré Heraklés, est logé au fond d'un poljé du Péloponnèse.

Les cuvettes hydro-éoliennes

Il existe dans les régions arides des nappes d'eau salée au moins temporaires, logées dans le fond de dépressions fermées évidées par le vent, qu'on qualifie de cuvettes "hydro-éoliennes". Tel est le cas des chotts du Sud algéro-tunisien. Le centre de ces chotts est occupé par une sebkha, c'est à dire une étendue qui est alternativement submergée (4-5 mois d'inondation en hiver) et asséchée et recouverte d'efflorescences salines. Ce n'est donc pas un véritable lac mais une nappe d'eau, temporaire et pelliculaire (de 20 à 30 cm de profondeur en moyenne, jamais plus d'1 ou 2 m). La dépression fermée est l'œuvre de la déflation éolienne qui attaque en été un matériel argilo-limoneux floculé par le sel.

L'eau qui s'étale en hiver semble provenir moins du ruissellement que de la remontée et du débordement d'une nappe phréatique. On voit donc qu'il peut y avoir des lacs même dans des conditions à priori peu favorables, tant du point de vue lithologique (calcaire) que du points de vue climatique (déserts).

Quelle que soit leur origine, les lacs entrent dans deux grandes catégories, suivant qu'ils ont ou non un émissaire. L'appartenance à l'une ou l'autre de ces deux classes dépend du contexte climatique. Lorsque les précipitations sur le bassin-versant sont supérieures à l'évapotranspiration, la nappe d'eau s'élève jusqu'à déborder par dessus le seuil qui la retient. Le lac s'intègre au réseau hydrographique. Lorsque le bilan précipitations-évaporation est proche de l'équilibre, le niveau de la nappe se stabilise en dessous de ce seuil et le drainage reste endoréique. Le lac Baikal et la Mer Morte sont tous deux logés dans un graben profond. C'est uniquement pour des raisons climatiques que l'un de ces grabens déborde et alimente l'Iénisséi, et que seul le fond de l'autre est rempli, bien en dessous du niveau de la Méditerranée. En règle générale les lacs exoréiques ont des eaux douces et les lacs endoréiques des eaux salées. Tous reçoivent en effet des eaux plus ou moins chargées en sels soluble, qui se concentrent dans les nappes fermées. Dans le cas du Grand Lac Salé de l'Utah la teneur en sel atteint 20 %, et elle est de l'ordre de 30 % dans le cas de la Mer Morte.

II. LA SEDIMENTATION LACUSTRE ACTUELLE

II.1 Généralités

Un lac est un corps d'eau permanent enclavé dans le continent et généralement constitué d'eau douce. La taille des lacs est très variable, depuis les marécages de faible profondeur jusqu'aux véritables mers intérieures que sont les Grands Lacs américains. La salinité est également très variable: les corps sur-salées du Grand Lac Salé et de la Mer Morte sont considérés comme des lacs, de même pour la Mer Caspienne et la Mer Noire qui sont sous-salées par rapport à l'eau de mer.

Les petits lacs ont des origines très diverses: lagune de plaine côtière (exemple l'étang de Thau), méandre abandonné de plaine alluviale, lac de plaine deltaïque (étang de Vaccarès), de surcreusement glaciaire, lac de cratère...Les grands lacs ont une origine tectonique: lacs du Grand Rift Africain, Mer Morte... Du fait de leur isolement, les caractères des lacs varient en fonction du climat, de l'apport des rivières, de l'environnement géologique, de la végétation sur les berges et de l'activité biologique dans le lac.

Le confinement est très fréquent; il conduit à la stratification de l'eau et à l'anoxie du fond, à la précipitation de sels si le climat est chaud et sec. L'eau d'un lac est soumise à l'action du vent qui crée des vagues en surface. Des courants profonds peuvent brasser l'eau dans son ensemble. L'agitation de l'eau est maximale le long des berges.

II.2 La sédimentation lacustre actuelle

a) La sédimentation détritique

Les matériaux apportés par les rivières se déposent dans un lac selon une zonation concentrique assez théorique qui dépend de l'hydrodynamisme: galets le long des rives, sables dans les zones périphériques soumises à l'action des vagues, vases dans le centre plus profond et plus calme. En fait la distribution des matériaux dépend de la position des deltas dans le lac.

 

On distingue 3 types de milieux dont les dépôts dépendent de l'hydrodynamisme et de la nature des apports détritiques.

* 1) les berges: dépôts grossiers (galets, sables); pour les petits lacs dont l'hydrodynamisme est faible ou qui ne reçoivent que des parties fines, dépôts fins bioturbés (vases).

* 2) les pentes et le fond: hydrodynamisme faible, absence d'oxygène; vases laminées à bulles de méthane provenant de la décomposition de la matière organique; précipitation possible de carbonates; horizons sableux dus à l'arrivée de turbidités. Les vases laminées peuvent montrer une alternance de lamines claires et sombres correspondant à une rythmicité annuelle: ce sont des varves. Dans le Lac de Zurich, les lamines claires sont carbonatées et se déposent l'été, les lamines sombres détritiques se déposent l'hiver. Dans le Lac de Constance, les lamines claires sont des turbidités sableuses mises en place à la fin de l'hiver, les lamines sombres sont des vases de décantation d'été.

* 3) l'éventail deltaïque sous-lacustre: il comporte des chenaux, des lobes, des levées; des glissements et des courants de turbidité se déclenchent quand l'apport détritique est important.

b) La sédimentation chimique et biochimique

Sa nature dépend du climat, du chimisme de l'eau, de l'activité organique. Sous climat froid, l'hydroxyde ferrique précipite en pisolites, les frustules siliceuses de diatomées s'accumulent. Sous climat tempéré, il y a surtout précipitation de carbonate de calcium par mécanisme purement chimique ou par l'intermédiaire des organismes (algues, cyanobactéries, plantes supérieures, mollusques...) La calcite précipite en manchon autour des plantes et entoure les clastes pour former des oncolites qui peuvent s'accumuler en un sable calcaire. Les débris carbonatés du phytoplancton constituent une vase calcaire sur le fond. En climat humide et frais, la végétation herbacée se décompose sur place en tourbe. Sous climat chaud et humide, l'eau se stratifie et le fond devient anoxique. La matière organique s'accumule en grande quantité et donne un sapropèle (vase noire) ou un lignite (débris de matière ligneuse). En climat sec, l'évaporation est forte et les sels précipitent sur les berges (gypse, halite, silice...)

Les calcaires lacustres sont des travertins. Ils montrent généralement des traces d'activité ou des débris organiques et contiennent des détritiques siliceux. Les principaux faciès sont les calcaires laminés, les calcaires micritiques massifs à mollusques, à charophytes, à ostracodes. Sur les berges temporairement émergées et dans les marécages se déposent les calcaires palustres renfermant des traces de racines, des restes de plantes aériennes, des fentes de dessication, des indices de pédogénèse, des traces d'activité algaire (stromatolites).

 

II.3 Cas des sebkhas continentales.

Dans les régions où l'évaporation est importante (climat aride), l'eau des lacs s'évapore en partie ou totalement pendant la saison sèche. Le lac devient sursalé ou disparait en laissant sa charge dissoute qui précipite sous forme d'évaporites. Ces étendues salées sont des sebkhas; elles occupent généralement des dépressions fermées (endoréiques). Les sels sont mélangés à de nombreux matériaux détritiques apportés par les rivières temporaires. C'est le cas des chotts de la marge nord du Sahara, des lacs salés du Désert Danakil (Afrique de l'Est), du Grand Lac Salé d'Amérique du Nord.

III LES SEDIMENTS LACUSTRES ANCIENS

Leurs critères de reconnaissance sont les suivants:

* absence de faune marine; fossiles d'animaux terrestres ou d'eau douce (Gastropodes pulmonés, certains bivalves, poissons...); beaucoup de restes végétaux.

* peu de figures sédimentaires d'origine hydrodynamique à la différence du milieu marin (pas de marée, action des vagues faible); traces d'éxondation fréquentes.

* cortège évaporitique particulier quand la composition chimique de l'eau est différente de celle de la mer.

* traces fréquentes de paléo-altérations (croûtes calcaires, paléosols).

Parmi les sédiments lacustres ou palustres anciens, citons en certains qui ont une importance économique:

* les dépôts houillers du Stéphanien du Massif Central (accumulation de végétaux dans des marécages);

* les lignites du bassin lacustre tertiaire d'Aix en Provence;

* les calcaires tertiaires de Brie et de Beauce;

* les "Marnes de Pointe Noire" du bassin côtier du Congo: ce sont des argiles calcaires feuilletées d'âge crétacé inférieur. Elles sont riches en pyrite et en matière organique (de 6 à 20 %). La matière organique est un sapropèle formé des débris d'une algue lacustre du genre Botryococcus. Ce type de sapropèle se forme actuellement au fond du Lac Tanganyika. Ces marnes constituent la roche mère du pétrole des gisements de la côte du Gabon, Congo et Cabinda.

13.12 Les eaux souterraines

I. NOTIONS PRELIMINAIRES

On a vu dans une section précédente qu'une partie des eaux de précipitation ruissellent à la surface des continents pour former les cours d'eau, alors qu'une autre partie s'infiltre dans le sol pour donner ce qu'on appelle les eaux souterraines.

Les eaux souterraines constituent une provision d'eau potable inestimable pour l'humanité. Dans plusieurs pays, c'est pratiquement la seule source d'approvisionnement.

En fait, il faut savoir que la croûte terrestre contient des fluides jusqu'à de très grandes profondeurs, pratiquement sur toute son épaisseur, soit plusieurs milliers de mètres.

Quand on parle des eaux souterraines, on se réfère, en pratique, aux eaux qui se trouvent dans la partie superficielle de la croûte, quelques centaines de mètres au maximum, celles qui sont propres à notre consommation.

Plus on s'enfonce dans la croûte, plus l'eau devient riche en divers sels minéraux et métaux, ce qui la rend impropre à notre consommation.

Si les matériaux du sous-sol sont perméables, les eaux de pluie s'infiltrent et finissent par s'accumuler à partir d'un certain niveau, ce qui délimite des nappes quasi immobiles. ; l’eau peut également circuler en creusant la roche .

Les régions où les circulations souterraines sont plus importantes que les cours d’eau à l’air libre ont une morphologie particulière appelée karstique .

Notons enfin qu’il existe des eaux souterraines qui ont une autre origine que l’infiltration , ce sont les eaux juvéniles qui proviennent de la profondeur de l’écorce terrestre , telles certaines eaux thermales , ainsi que celles qui restent en permanence dans les roches ( eau hygroscopique, ou eau de rétention ou encore eau de carrière ) .

Ne perdons pas de vue les nappes profondes et chaudes constituant le domaine d’étude de la géothermie.

II. LES NAPPES ET LES PUITS

II.1 Nappes

Une nappe est constituée par l’ensemble de l’eau qui occupe les interstices de roches poreuses dans un domaine défini par son épaisseur et son étendue.

II.1.1 Nappes phréatiques

La nappe phréatique est celle qui occupe les roches perméables superficielles, son niveau ( surface piezométrique ) peut varier en fonction des saisons .

Elle n’est pas parfaitement horizontale, et suit avec une certaine atténuation les irrégularités de la topographie.

 

En climat tempéré, ces nappes sont surtout alimentées par les précipitations hivernales ( octobre à avril), le niveau piézométrique variant en fonction de l’abondance relative des pluies ( battement de la nappe ).

II.1.2 Nappes captives

Une nappe est dite captive lorsque son niveau piézométrique est situé au dessus du toit de la formation qui la contient. Ce toit doit donc nécessairement être perméable. Cette nappe est sous pression.

II.1.3 Les nappes artésiennes

Une nappe captive devient artésienne lorsque sa surface piézométrique est supérieure au niveau du sol au dessus de certaines zones de la partie captive de la nappe.

II.1.4 Nappes suspendues

Une nappe suspendue est retenue par une couche imperméable au dessus du fond du niveau des vallées. Il en est ainsi de la nappe retenue par des marnes à huîtres sous le sable de Fontainebleau dans les buttes témoin de la région parisienne.

II.1.5 Nappes alluviales

Elles constituent un type particulier de nappes, formées par les grands épandages de sables et graviers des fleuves et des rivières.

Ces nappes fournissent 60% des eaux souterraines captées en France, en particulier grâce à leur facilité d'accès et leur bon débit. Elles sont le lieu privilégié des échanges entre les cours d'eau et les autres grandes nappes des coteaux (nappes libres). C'est à travers ces nappes alluviales que les grands flux issus des nappes libres rejoignent les rivières.

Parfois, ce sont les rivières qui cèdent de l'eau aux nappes alluviales. Ce phénomène est rare et localisé en France mais habituel dans les oueds des pays arides.

 

Exemple : nappe captive profonde et nappe alluviale plus superficielle dans le bassin de Paris.

Les nappes alluviales sont des nappes d'accompagnement des rivières. Les alluvions se sont formées par le dépôt de sédiments (sables et graviers) au quaternaire. Ces nappes reposent sur une couche qui peut être aquifère ou imperméable.

II.2 Les puits

II.2.1 Les puits ordinaires

Les puits ordinaires sont creusés dans le nappe phréatique , leur niveau est celui de la surface piezométrique , mais leur alimentation dépend de la perméabilité de la roche. Le pompage de l’eau provoque le rabattement de la nappe.

II.2.2 Les puits artésien

Ce sont des puits jaillissants obtenus en perçant le toit des nappes artésiennes.

 

ARTESIEN

1. Qualifie un puits ou un forage exploitant une nappe captive dont la surface piézométrique se trouve au dessus du sol, et qui fournit donc de l’eau jaillissante naturellement. Qualifie la méthode de captage de l’eau souterraine par ce moyen.

2. Qualifie l’eau ainsi élevée jusqu’au sol et jaillissante : de l’eau artésienne. Synonyme jaillissante.

3. Capable de permettre un jaillissement d’eau (potentiel) : une nappe artésienne, un bassin artésien.

Figurent dans le Glossaire International d'Hydrologie (1992) les termes suivants :

• Puits artésien jaillissant pour traduire " artesian well " : " Puits qui capte de l’eau artésienne dont la pression est suffisante pour la faire remonter au dessus de la surface du sol ".

• Source artésienne : " Source dont l’eau sort sous pression artésienne, généralement par une fissure ou une autre ouverture de la formation imperméable qui recouvre la formation aquifère ".

• Aquifère artésien : " Aquifère dont la surface piézométrique est située au dessus de la surface du sol (quelque fois utilisé à tort comme syn. d’aquifère captif ".

• Bassin artésien : " Structure géologique, souvent de grandes dimensions, dans laquelle l’eau est sous pression artésienne ".

• Charge artésienne : " Cote de la surface piézométrique dans une nappe artésienne au dessus d’un repère de niveau donné ".

Une des plus importante nappe artésienne au niveau mondial est celle retenue sous le Sahara de 50 à 2500 mètres dans les sables et grès du continental intercalaire comprenant notamment le Crétacé inférieur.

Remarque : abaissement du niveau des nappes captives artésiennes généralisé en Belgique et dans le bassin parisien.

 

III. LES CIRCULATIONS D’EAU SOUTERRAINES .

Il faut distinguer les circulations interstitielles à l’intérieur des roches poreuses , des véritables cours d’eau qui coulent à l’intérieur des cavités .

III.1 Circulations interstitielles

Elles dépendent de la perméabilité des roches imbibées : très lentes lorsque la perméabilité est faible, elles peuvent devenir rapides voire turbulentes lorsque les blocs sont de grande dimension ( moraine pierreuse par exemple ). Les pertes de charge sont alors très faibles et les pressions se transmettent instantanément.

Il existe dans les roches deux modalités de séjour de l’eau :

III.1.1 Les eaux de rétention

L'eau de rétention est la fraction de l'eau maintenue dans les vides et la surface des grains par des forces supérieures à celle de la gravité. Elle n'est pas mobilisable. Les forces d'attraction moléculaires, consécutives de la polarité de la molécule d'eau, peuvent atteindre 200 000 fois celle de la gravité. On distingue l'eau adsorbée ( hygroscopique) et l'eau pelliculaire.

III.1.1.1 Eau hygroscopique

Elle est maintenue dans les pores par adsorption, très importante dans les argiles ou la surface interne spécifique ( surface des vides ramené à l’unité de volume ) est considérable.

• Argiles : 200m2 /cm3

• Granite : 10 gr/kg : non négligeable ( 20 milliards litres/ km3 ).

Cette eau est maintenue par des forces qui peuvent dépasser le millier d’atmosphère, cette eau est irrécupérable par les plantes et ne peut s’extraire que par calcination ( voir pédologie, notion de pF).

 

III.1.1.2 Eau liée ou eau capillaire au sens large

Eau pelliculaire : se maintient autour des particules solides ( tension superficielle).

Eau capillaire proprement dite : Retenue par la tension superficielle dans des pores allongés

Eau pendulaire : Emprisonnée entre les angles de contact des particules solides

III.1.2 Eau libre ou eau gravifique

Cette eau remplit momentanément les pores non capillaires ; mobile sous l’effet de la pesanteur ; très utilisable par les plantes, mais séjourne normalement peu de temps dans le sol.

Cette eau est apportée par les eaux d’infiltration dans les roches poreuses, à condition que les pores communiquent entre eux.

On peut appliquer à cette eau gravitaire la loi de Darcy moyennant certaines hypothèses

La quantité d'eau transitant dans un milieu poreux est proportionnelle à la section totale traversée A, au coefficient de perméabilité K du milieu et à la charge hydraulique h et inversement proportionnelle à la longueur l du milieu traversé:

Q(m3/s) = K(m/s).A(m2). h/l

h/l est la perte de charge par unité de longueur, appelée encore gradient hydraulique i , c’est la pente de la ligne piézométrique:

Q = K. A. i

La vitesse de filtration V est égale au rapport de la quantité d'eau passant en une seconde sur la surface A. C'est également le produit du coefficient de perméabilité par le gradient hydraulique:

V(m/s) = Q/A = K.h/l

La loi de Darcy n'est strictement applicable que pour des milieux homogènes où l'écoulement de l'eau est laminaire. Elle ne peut être utilisée en particulier pour les réseaux karstiques. Le coefficient de perméabilité est propre à chaque réservoir; il dépend notamment de la porosité efficace et de la viscosité du fluide; il augmente avec la profondeur (l'augmentation de température diminue la viscosité).

Notons que cet écoulement gravitaire peut se présenter, dans les alluvions sableuses, comme un écoulement vers l’aval de la nappe alluviale.

Dans certains cas, cet écoulement périfluvial peut réapparaître à l’air libre et réintégrer le cours d’eau principal ( cas de la Loire et du Loiret.).

III.2 Les cours d’eau souterrains

En principe, les lois et constatations relatives aux cours d’eau superficiels leur sont applicables . En particulier, ils transportent une charge solide analogue et donnent lieu à des formes d’érosion mécanique de même type ( gorges , marmites ) mais, il faut insister sur deux mécanismes d’érosion qui sans leur appartenir en propre, se manifestent avec une plus grande intensité.

III.2.1 Dissolution et concrétionnement

Les phénomènes karstiques se déroulent essentiellement dans des roches calcaires.

Les calcaires sont des carbonates de calcium (CO3Ca) propices à la dissolution par l'eau lorsqu'elle est chargée d'acide carbonique (H2C03). Le C02 (dioxyde de carbone) joue un rôle déterminant dans le processus de karstification. Il est présent dans l'atmosphère à raison de 0,03% de sa composition mais sa présence dans l'eau dépend directement de la pression atmosphérique. Lorsque la pression atmosphérique en C02 est élevée, l'air cède du C02 à l'eau ; si la pression atmosphérique C02 est faible, l'eau lui restitue du C02. Plus l'eau est riche en C02, plus elle pourra dissoudre le calcaire mais une partie seulement du dioxyde de carbone (C02 + ions H+) est capable de se combiner à l'eau pour donner l'acide carbonique (le reste étant en équilibre avec le C02 de l'air).

 

Ces deux réactions se combinent donc pour donner de l'hydrogénocarbonate de calcium (appelé anciennement «bicarbonate de calcium»), instable et soluble dans l'eau. En réalité, ce processus, bien connu chimiquement, varie en fonction de très nombreux paramètres climatiques (par exemple la température de l'eau : l'eau froide dissout plus de gaz carbonique mais l'eau tiède dissout plus vite le calcium que l'eau froide...). Ce processus dépend aussi du C02 présent dans les sols, en raison de la décomposition de la biomasse, de la respiration des racines qui facilite l'action de dissolution du calcaire par l'eau. Ce rôle du C02 biologique est déterminant dans la création des spectaculaires karsts de la zone intertropicale, lorsque la température et les précipitations élevées permettent une végétation abondante.

Pour résumer l'ensemble des phénomènes, on peut représenter l'équilibre des carbonates de la manière suivante :

 

 

L'eau saturée en bicarbonate de calcium arrive dans la caverne par les fissures de la roche et dépose son bicarbonate de calcium selon deux processus :

1° par dégazage du gaz carbonique et par précipitation du bicarbonate de calcium, lequel sèche et se cristallise en calcite.

2° Par évaporation et dépôt : l'eau s'évapore et la calcite se cristallise naturellement formant peu à peu une concrétion.

Ce dépôt entraîne la formation de concrétions très variées : stalactites, stalagmites, colonnes, draperies, excentriques, bénitiers…

L'écoulement goutte à goutte, très fréquent, façonne la stalactite au plafond et à sa verticale la stalagmite, sur le plancher des galeries et des salles.

Lorsqu'une stalactite rejoint la stalagmite née au dessous d'elle, on obtient une colonne. Les excentriques constituent un type particulier de stalactites. Elles sont réalisées par une cristallisation en voile autour de la goutte d'eau. L'écoulement continu génère à partir des plafonds et des parois de grandes coulées de calcite parfois épaisses qui tapissent la paroi. La draperie est une forme ondulée, accrochée à la voûte, comme une stalactite, mais qui s'allonge vers les parois en ne prenant qu'une faible épaisseur.

III.2.2 L’action mécanique

Elle est due aux variations de pression , que ce soit des ondes de choc qui résultent de la remise en charge d’un siphon ou au contraire de phénomènes de cavitation dus à un brusque baisse de Pression.

Exurgence : c'est à dire l'émergence d'un cours d'eau formé sous terre, une rivière souterraine. L'eau provient de l'infiltration des pluies dans les failles de terrains calcaires. Ces failles sont disséminées sur une surface couvrant un vaste espace. Par érosion et dissolution des calcaires, cette eau crée un réseau souterrain et ressort en un lieu donné , lieu d’exurgence.

L'exurgence est une vraie source en région calcaire karstique ; l'eau provient des eaux de pluie infiltrées en surface et réapparaissant plus bas, dans une vallée.

Résurgence : Il s’agit de l’émergence d’un cours d’eau après qu’il ait plongé en milieu souterrain(ex gouffre de Belvaux, perte de la Lesse en Belgique) et parcouru un réseau de chenaux, de galeries …

Ex : trou de Han , Lesse.

Il ne s’agit pas d’une vraie source, l’eau de résurgence pouvant d’ailleurs être contaminée par la pollution en amont à l’air libre.

IV. LA MORPHOLOGIE KARSTIQUE

Les formes d'érosion qui résultent de la dissolution de roches (surtout calcaires) par les eaux douces sont très particulières: elles reçoivent le nom de "morphologie karstique" d'après une région de la Croatie. Les différents éléments d'un paysage karstique sont schématisés à la figure ci- après

 

Souvent il s’agit de régions formées de roches solubles situées à un niveau supérieur au niveau du lit des grands cours d’eau qui les traversent.

IV.1 Morphologie souterraine

Le réseau souterrain ou "endokarst" est influencé par les discontinuités géologiques: cassures, diaclases, failles du massif calcaire qui conditionnent la direction des galeries. On distingue la partie fossile du réseau, dénoyée, de la partie active où s'écoulent les rivières souterraines. Les spéléothèmes regroupent toutes les formes de concrétionnement comme les stalactites (caractérisées par un canal central où circule l'eau), les stalagmites (pleines), les draperies, etc. Les gours sont des barrages édifiés sur le fond des cours d'eau souterrains, souvent à l'intervention d'obstacles. Toutes ces concrétions résultent du dégazage du CO2, provoquant la précipitation de CaCO3. Voir carte des régions karstifiables de France çi-dessous :

IV.2 Morphologie aérienne

Les formes aériennes comprennent les canyons et avens, résultant de l'effondrement du toit de galeries et de salles proches de la surface, les dolines, dépressions circulaires où s'infiltrent les eaux de surface, les ouvalas, résultant de la coalescence de plusieurs dolines, les poljés, plaines karstiques endoréiques où s'observent des reliefs résiduels ou mogotes.

IV.2.1 Les canyons

Le plafond des galeries peut s’effondrer, ce qui donne naissance à des gorges extrêmement étroites à parois verticales appelées canyons. Ces structures peuvent également se développer au niveau de failles.

IV.2.2 Avens

Puits naturel parfois très profond, aux parois abruptes. Les avens résultent de l'effondrement de roches calcaires rongées par les eaux.

IV.2.3 Lapiez

Déjà évoqués plus haut, Le lapiaz est une surface creusée de cannelures ou de rigoles, larges de 1 cm à 1 m, séparées par des lames tranchantes. La morphologie des lapiez est cependant très variable.

IV.2.4 Dolines

On nomme doline une dépression de terrain dont le fond est en général plat et fertile. Les dolines sont dues à des phénomènes de dissolution des calcaires, et mesurent de quelques mètres à plusieurs centaines de mètres. Leur fond argileux est souvent constitué de terre rouge. La rétention locale d'eau qu'elles permettent les rend propices au développement d'une riche végétation qui contraste avec le pourtour de la doline.

Contrairement à d'autres formes karstiques, la doline n'est pas due à l'action directe des eaux, mais naît d'un effondrement de la roche lorsque des salles souterraines affleurent la surface. Le plafond de la grotte, alors trop mince, peut s'écrouler, créant une dépression où l'eau s'accumule plus facilement.

L'évacuation de l'eau des dolines s'effectue par un ponor.

IV.2.5 Poljés

Les poljés sont des dépressions fermées à fond inondable situées dans les karsts, notamment les karsts tropicaux (Cuba ; la Jamaïque) et méditerranéens (karst dinarique, Apennin calcaire....). Ce sont des dépressions d'érosion dont le fond communique avec le réseau karstique par de ponors qui en assurent le drainage, mais qui, à certains moments de l'année, sont susceptibles de fonctionner en sens inverse et de débiter de l'eau (en hiver dans le domaine méditerranéen).

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Commentaires (1)

1. Maurice 02/01/2015

just a smile

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Date de dernière mise à jour : 05/10/2012