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Spéléothème ? Spéléo j'aime !
CHRONIQUE DE « Doc Carbur » N° 6 |
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2. Classement descriptif des principaux spéléothèmes 2.1. Préambule 3.1. Principe physico-chimique de l'érosion
calcaire 4. Composition des spéléothèmes 4.1. Généralités sur leurs structures
cristallines 5. Intérêt de l'étude macroscopique et microscopique des spéléothèmes 5.1. Connaissance des paléoclimats 8. Liens externes sur ce thème 9. Lien miroir (interne) sur ce thème
Suite à l’heureux événement mentionné ci-dessus, Doc Carbur qui était présent à la cérémonie a décidé qu’il était temps de faire le point sur l’état actuel des connaissances ou des recherches concernant la partie minérale la plus connue de nos grottes et avens : les concrétions (oh, pardon... les spéléothèmes). Nous aborderons donc successivement les caractéristiques du concrétionnement (description et cristallisation) puis l’intérêt de leur étude.
Effectuer un classement des spéléothèmes d'après leur aspect externe se heurte au choix de critères objectifs. Les trier suivant l'effet plus ou moins marqué que semble avoir eu la gravité sur leur genèse et leur positionnement sur le substratum est purement arbitraire : il est évident que même la plus biscornue des excentriques subit la dure loi de la gravité. Pourtant ce critère a indéniablement l'avantage de la simplicité, c'est la raison qui l'a fait retenir ici.
Au cours de sa traversée du sol, l'eau de pluie voit sa composition chimique évoluer sensiblement. Tous les facteurs ont de l'importance, qu'il s'agisse de la température de l'eau et de l'air (le CO2 est plus soluble à froid qu'à chaud) ou de la nature physico-chimique du sol, voire même la composition de l’atmosphère (voyez les pluies acides dues à la pollution de l'air). Bref, l'eau va se charger plus ou moins du CO2 de l'air (il en contient naturellement environ 0,03 %). Ce CO2 dissout va rendre l'eau acide selon la formule : CO2 + H2O = H2CO3 (acide carbonique). Elle peut aussi entraîner des acides contenus dans le sol à cause de la décomposition de l'humus, des minéraux qu'ils contiennent ou même de la pollution. Toute une série d'acides peut donc se mêler à l'eau : acide carbonique, humique, chlorhydrique, sulfurique, nitrique ou fluorhydrique. Et je ne vous parle même pas de l'acide formique aux alentours des fourmilières, car je ne pense pas que l'on en ait encore mesuré son influence sur l'acidification des eaux d’infiltration... Si cette eau était neutre (non acide : pH = 7), elle ne pourrait dissoudre que 13 mg de carbonate de calcium (composé principal des calcaires) par litre d'eau. Mais une fois acidifiée, elle devient agressive et peut dissoudre en traversant la roche calcaire, de 50 à plusieurs centaines de mg de carbonate de calcium par litre (500 mg/l en moyenne en climat tempéré). Cette dissolution du calcaire donnera un composé relativement instable : le bicarbonate de calcium (à ne pas confondre avec le bicarbonate de sodium qui allège vos estomacs les lendemains de fête). La formation de bicarbonate se décrit selon la formule suivante : H2CO3 + Ca CO3 <=> Ca(HCO3)2 Cette réaction étant facilement réversible (c’est ce que signifie le signe <=>), la moindre variation de la quantité de CO2 de l'air (on l'appelle sa pression partielle) aboutit à un renversement de situation et au dépôt de carbonate de calcium plus ou moins pur et cristallisé avec un dégagement de CO2. C'est cette phase d'évaporation et de précipitation qui assure le concrétionnement et par la même, le comblement des cavités.
Quel que soit le type de concrétion (calcite ou aragonite), les mêmes phénomènes sont en jeu : ceux de la cristallogenèse ; passage de l’état liquide désorganisé à l’état solide ordonné. L’observation de la morphologie externe des cristaux dont la forme est le reflet de la structure cristalline interne (invisible à l’œil nu) a permis de comprendre que cette matière était orientée dans l’espace selon trois directions : cette disposition s’appelle un réseau cristallin. Imaginez une boite de chaussures qui aurait un atome dans chaque coin, la boite serait une maille et un amoncellement de boites bien rangées les unes à côté des autres formerait le réseau cristallin. Les minéraux cristallins diffèrent par la forme géométrique des mailles (voir 4.1)
Un cristal voit commencer son évolution un peu comme une plante verte par un phénomène appelé germination : c'est de loin la phase la plus difficile à réussir pour le futur cristal. Il serait tout aussi difficile de décrire ces quelques instants initiaux de la longue vie minérale tant ce phénomène est complexe. Il faut savoir simplement que la solution d'eau et de carbonate de calcium (voir 3.1) atteint parfois, en fonction de conditions de température, de pression et de concentration, une situation d’équilibre. Mais cet équilibre est fragile. Si un ou plusieurs de ces paramètres varient, alors l'instabilité qui en résultera aboutira à la formation des premiers germes cristallins. Les études ont démontré qu'il leur faudra atteindre une taille minimum (appelée dimension critique) pour être sûrs de croître, plutôt que de disparaître en se dissolvant à nouveau dans la solution. Les physiciens ont constaté que plus grande est la concentration du liquide et plus la température est élevée, plus rapide sera la croissance cristalline à partir du germe (on s'en serait douté en regardant les marais salants ou le fond d’une casserole ou a bouilli de l’eau). C’est Pierre Curie (le mari de Marie, célèbre pour ses travaux sur le Radium) qui en 1885 élabora la première théorie sur la croissance cristalline mais aujourd'hui encore des zones d'ombre persistent dans la connaissance de ce phénomène. D'autres chercheurs l'ont depuis améliorée et on pourrait résumer leurs acquis par les quelques constats suivants :
Pour en revenir aux spéléothèmes et à leur forme visible à l’œil nu, il faut insister sur le fait qu'il s'agit bien souvent d'un phénomène dynamique (sauf à la surface et surtout au fond des bassins calmes), les différentes formes s'expliquant alors d'une façon qu'on peut simplifier. L'eau carbonatée débouche dans un vide souterrain par un orifice ou une fissure dont la taille, l'orientation, la pente vont influer sur le dépôt de calcite ou d'aragonite. Les phénomènes d'évaporation dus aux courants d'air, le débit de l'eau, sa vitesse d'écoulement, la porosité de la roche encaissante, vont aussi faire varier la forme du dépôt final. Enfin, les conditions physico-chimiques vont finir de sculpter les plus étranges des spéléothèmes : les excentriques (voir au 4.5).
Leur origine est l'arrivée d'eau au débit réduit par un orifice en plafond. L'évaporation de cette eau entraîne un dépôt de calcite annulaire qui va aller en s'allongeant pour former une fistuleuse. Dans celle-ci l'eau circule par le canal intérieur jusqu'à l'orifice d'où elle tombe au sol. Si le canal intérieur s'obstrue, la forme va évoluer : renflements, épaississements et formation d'une stalactite par dépôt externe de calcite. Il faut noter que toutes les stalactites ne se forment pas suite à une fistuleuse : certaines peuvent naître directement sur un relief de la voûte. De même l'eau s'écoulant sur un support incliné pourra former une draperie par des phénomènes similaires.
L'eau provenant d'un écoulement de la voûte peut déposer encore une partie de son calcaire dissous sur le sol formant ainsi, suivant l'inclinaison du sol un plancher stalagmitique ou une stalagmite plus ou moins massive. Ce phénomène est rendu possible par l'évaporation qui se produit durant la chute et qui sature à nouveau la concentration en carbonate de calcium. Ces concrétionnements s'effectuant par l'extérieur, ils sont constitués de couches successives de plusieurs lamines de calcite (voir 5.1 et 5.2), donc pleins. Le principe d'édification de ces spéléothèmes est sensible à plusieurs facteurs et en particulier le débit. En effet si le débit est fort et le courant rapide, l’érosion mécanique de l’eau va prendre le pas sur le concrétionnement et on assistera au phénomène inverse : l’eau va user la roche encaissante au lieu d’y déposer de la calcite.
Lorsque des gouttes d'eau tombent sur un support où elles vont être mises en mouvement circulaire, le dépôt peut alors se faire autour d'une impureté quelconque et former ainsi une perle plus ou moins sphérique et régulière. Elles sont souvent associées aux gours de faible profondeur où il n'est pas rare qu'elles forment des tapis de plusieurs dizaines ou centaines. On rencontre plus rarement des pisolites isolées.
On arrive ici dans le domaine du concrétionnement statique qui bien que mineur en quantité (masse de carbonate déposée faible), n'est pas négligeable pour autant. Lors du dépôt de calcite à la surface calme des flaques, gours ou lacs, les conditions physico-chimiques de cristallisation s'approchent beaucoup plus de celles décrites au 3.2.2. et c'est la tension superficielle qui fait flotter l'ensemble. Ce voile de calcite sombrera donc au fond du bassin à la moindre perturbation, mais la pellicule de calcite pourra aussi couler par gravité entraînée par son poids. Sur les côtés de la paroi encaissante, ce dépôt sera à l'origine de la formation de trottoirs de calcite; alors que sous l'eau, la calcite va pouvoir cristalliser tout à son aise en donnant de superbes formations géométriques (dents de cochon, triangles de calcite, aiguilles). Il faut noter ici que l'étude récente (au microscope électronique à balayage) des cristaux de calcite flottant dans certaines cavités a montré qu'elle est parfois associée à des aiguilles d'aragonite qui se sont formées ultérieurement et ont germé autour et sous la calcite. Ailleurs où l'eau est en léger mouvement, la calcification ne se fera que sur les bords (lieu favorable à l’évaporation) et formera des barrages verticaux de quelques millimètres à plus d'un mètre de hauteur et que l'on appelle gours. On revient là à une phase de concrétionnement quasi dynamique.
Les excentriques portent un nom qui leur sied bien. En effet leur comportement n’est pas courant, au contraire des stalactites, elles se développent dans des directions les plus étranges ; c’est ce qui en fait l’un des sujets favoris des photographes souterrains. Les excentriques naissent le plus souvent dans des endroits confinés (entre les lames d’une draperie ou dans des creux de la paroi rocheuse), et leur orientation semble aléatoire. Pour ce qui concerne leur formation se reporter au 4.5.
4. Composition des spéléothèmes Les deux carbonates de calcium : calcite et aragonite, sont les composés essentiels (mais pas les seuls voir 4.4) des concrétions souterraines. Ils ont la même composition chimique CaCO3 mais, par contre, leur organisation géométrique cristalline est différente. C'est cela qui est à l'origine des diversités visibles des spéléothèmes. Ces arrangements cristallins variables ont parfois des conséquences étonnantes, en effet si tout le monde se fiche comme de son premier crayon du Carbone Hexagonal (le graphite) qui cracherait sur un joli morceau de Carbone Cubique en octaèdres (le diamant) ? Généralement c'est l'aragonite qui précipite en premier puis changeant de symétrie elle se transforme en calcite (on l’appelle aragonite métastable). Heureusement pour la beauté du spectacle de nos grottes, dans certaines conditions dont nous reparlerons plus loin, l'Aragonite ne se transforme pas spontanément en calcite et nous pouvons l'admirer. Calcite et aragonite sont toutes deux stables, mais à des conditions différentes de température et pression : l’aragonite est stable à pression plus élevée que la calcite et vice-versa. Seulement dans les conditions environnantes de température et de pression, l’aragonite est métastable, c’est à dire que elle se transforme spontanément en calcite. On pourrait donc supposer que l’aragonite des cavités s’est cristallisée selon ses propres conditions de stabilité (c’est à dire à pression partielle élevée). D'où vient la différence géométrique entre calcite et aragonite ? Du système cristallin et de ses symétries internes. Dans les ensembles cristallins, les cristaux sont souvent associés par paires (appelées macles) or une paire de cristaux (ayant individuellement une forme simple) donne une fois associée quelque chose de bien plus difficile à décrire car leur imbrication est généralement grande et décalée dans l'espace selon un des axes de symétrie. De plus la régularité des cristaux peut être altérée par des défauts divers (vides là où devrait se trouver un atome, atomes placés anormalement etc.). Tout ceci explique la variabilité microscopique -visible par diffraction aux rayons X (voir encart ci-dessous)- et macroscopique -visible à l’œil nu- des minéraux cristallins. Malgré ces difficultés de description les géologues ont défini 7 systèmes cristallins regroupés en 3 groupes : le plus simple étant le système MONOMETRIQUE ou CUBIQUE où les réseaux cristallins ont les mêmes propriétés de symétrie que le cube. Attention, cela ne signifie nullement que les cristaux macroscopiques seront tous cubiques : on parle là des symétries uniquement et en plus dans le domaine microscopique !
Les 7 systèmes cristallins sont :
En réalité l'étude mathématique des polyèdres et de la symétrie depuis Pythagore et Archimède jusqu'à Auguste Bravais au XIXeme siècle en passant par Kepler, Pasteur et Curie aboutira à identifier vers 1890, 230 descriptions de cristaux différents. Cette classification théorique sera par la suite confirmée par l'étude des propriétés cristallines par diffraction des rayons X. Depuis, on a encore affiné l’analyse et actuellement on considère que la calcite fait partie du système trigonal, classe scalenoedrique ditrigonal et l’aragonite du système orthorhombique, classe bipyramidale rhombique. Pourquoi faire simple quand on peut faire compliqué !
Elle appartient au système TRIGONAL (groupe DIMETRIQUE), ce qui signifie qu'il existe dans un cristal de calcite un axe de symétrie ternaire qui permet aux faces de retrouver une position équivalente (elles se retrouvent parallèles aux faces avant rotation) après 1/3 de tour, c’est à dire à 120 degrés. Un rhomboèdre, modèle de cette famille pour ces symétries, est un parallélépipède dont les 6 faces sont des losanges et sont parallèles opposées deux à deux.
La calcite est le deuxième minéral le plus répandu dans la nature après le quartz. Elle est la forme la plus courante de carbonate de calcium, l’autre étant l’aragonite. Une des calcites les plus pures est le " Spath d’Islande " qui a presque disparu et qui était utilisé pour la fabrication de lentilles optiques. Les autres usages de la calcite sont essentiellement du domaine des matériaux de construction (industrie de la chaux et du ciment). Dans le système de la calcite on retrouve :
Les spongiaires, de nombreux bivalves et céphalopodes ont une structure interne ou externe constituée de calcite : " chez les Coléoïdes, dont la coquille est interne, le phragmocône est restreint (coquille de la Spirule, "os" de Seiche), mais des formations différentes se développent : le rostre de calcite des Bélemnites, en arrière, et le proostracum , qui prolonge la coquille vers l’avant et donnera la "plume" des Calmars.Chez les Orthocères, Nautiloïdes à coquille droite du Paléozoïque, il existe parfois une couche calcitique externe. Dans les formes plus récentes, seul le rostre des Bélemnites est en calcite. " Extrait de : Encyclopædia Universalis France S.A. 1998
Elle appartient au système ORTHORHOMBIQUE (groupe TRIMETRIQUE), c’est à dire qu’elle possède les mêmes symétries géométriques que le prisme orthorhombique qui lui sert de modèle mathématique. Elle cristallise en prismes pseudohexagonaux par macle (paire de deux cristaux associés) qui donnent l’impression d’avoir des bases ayant la forme de losanges (comme sur un prisme orthorhombique).
Elle n’est que métastable (voir 4.1) et se transforme spontanément, surtout aux conditions environnantes de la nature, en calcite (voir 3.2.3). Bien que n’ayant d’intérêt qu’esthétique à nos yeux de spéléologue, elle est cependant courante dans le squelette de certains organismes vivants comme les céphalopodes ou les spongiaires par exemple : " À l’exception des Pieuvres, les Céphalopodes possèdent une coquille. Chez les Nautiles, elle est externe, composée par un tube cloisonné, en aragonite, à couleur interne nacrée, le phragmocône . (…) Dans les Nauliles actuels, la formation de l’ostracum est précédée par une couche organique noire. Au-dessous de celle-ci, l’ostracum, porcelané, est formé de grains d’aragonite en aiguilles fasciculées inclus dans une matrice de conchyoline ; on passe ensuite à l’hypostracum de nacre formée d’empilements de cristaux pseudohexagonaux d’aragonite soudés par de la conchyoline, au-dessous duquel se situe encore une fine couche de conchyoline, particulièrement au niveau du myotest (insertion des fibres musculaires). Dans la Seiche, la coquille (sépion) est sécrétée par l’épithélium ventral. Les lamelles, équivalents des septes des Nautiles, sont serrées, unies entre elles par des piliers, et admettent entre elles des lamelles intermédiaires. Les espaces qui les séparent sont remplis de gaz (97 p. 100 d’azote). Chaque pilier est composé de fines plaquettes d’aragonite empilées. L’ensemble est couvert d’une couche granuleuse. (..) Les Sclérosponges possèdent un squelette composite: base hypercalcifiée (fibres d’aragonite, plus rarement de calcite) et spicules (parfois facultatifs) monaxones (et triaènes) d’opale (ce sont des Céractinomorphes). " Extrait de : Encyclopædia Universalis France S.A. 1998
Le passage de l’aragonite à la calcite et leur alternance dans une même concrétion est en général le témoignage d’une variation de climat lors du concrétionnement (voir 5.1). Les autres minéraux du système de l’aragonite sont :
4.4 Les autres minéraux rencontrés dans les cavités
Il faut distinguer deux types d’argiles rencontrés dans les cavités. En effet pour que l’argile puisse être assimilée à un concrétionnement, il faut qu’elle soit issue directement du phénomène de décalcification du karst décrit au 3.1. En plus de son action de dissolution du calcaire, l'eau d'infiltration va entraîner vers l'intérieur des cavités cette argile, disséminée dans le sol, y piégeant les oxydes de fer (ce sont ces oxydes qui teintent si sournoisement les sous-vêtements des spéléologues les rendant impropres à toute autre utilisation !). Elle se déposera ensuite dans des zones particulières, calmes et non actives de la cavité. Il s'agit là de la conséquence d'une véritable décalcification autochtone (c’est à dire que s’est généré sur place) et on peut donc classer ce phénomène sur le même plan que le concrétionnement. Un autre type d'argile sera plutôt considéré comme un comblement détritique allochtone (qui s’est généré ailleurs et qui après a été transporté dans la cavité) au même titre que le sable produit par l'érosion des roches externes ou les galets roulés). Il s'agit là d'une argile de remplissage apportée dans la cavité par un cours d'eau ou un écoulement au débit élevé. Cette argile se déposera ensuite lentement dans les parties noyées à faible courant après les autres matériaux plus lourds (roches, graviers, sables, limons) selon un phénomène de grano-classement. Cette séquence est facilement observable après un pompage de siphon : le sol est souvent recouvert d'une couche plus ou moins épaisse de boue argileuse semi-liquide suivie d'un sable de plus en plus grossier puis enfin, tout au fond enfouis dans le sable, se rencontrent des blocs. La distinction entre les deux types d'argile (autochtone et allochtone) n'est pas des plus aisée. En effet, même si la présence de plusieurs couches alternées de granulométrie croissante fera penser à un comblement détritique plutôt qu'à une argile de décalcification, il faudra encore analyser les matériaux afin de se rendre compte si leur composition est identique ou différente de celle de la roche encaissante. Donner la composition exacte de l'argile est un leurre car il faudrait en fait parler d'argiles au pluriel. Le point commun de toutes les argiles est de contenir des silicates et de l'eau en quantité variable associées à des tas d'autres oxydes métalliques : aluminium, fer, magnésium etc. Les silicates ont comme formule chimique SiO2 (le plus connu est le quartz). Une argile a donc une formule basée sur SiO2 et H2O mais son silicate provient de l'altération par l'érosion d'un silicate primaire comme le feldspath par exemple. Quelques argiles célèbres :
Le gypse est un sel, c’est le plus commun de tous les sulfates : CaSO4 2H2O. Il trouve son origine primitive dans l’évaporation des eaux marines où il se dépose en premier avant même le chlorure de sodium (NaCl ou sel de cuisine). Les concrétionnements de gypse dans les cavités prennent parfois un aspect très spectaculaire et sont sensiblement moins fréquentes que ceux d'aragonite et bien sûr de calcite. Le gypse peut prendre l'aspect de "fleurs" ou de grands chandeliers d'une blancheur incomparable (grotte de la Lechuguilla au Nouveau Mexique USA). Le gypse déposé dans certaines cavités ne provient pas forcément de couches de gypse "primaire" du terrain sus-jacent dissoutes puis redéposées en phase aérienne. Quand il se trouve en grandes quantités il peut être le produit de l'action d'une eau chargée d'acide sulfurique sur le calcaire de la roche encaissante et s'être déposé sur place sous le niveau de l'affleurement de la nappe karstique au cours de la formation de la cavité (alors que la zone était encore en régime noyé).
Depuis que les hommes qui s’étaient lancés à l’assaut du monde souterrain y avaient découvert ses merveilles cristallines, les idées les plus folles circulaient sur leur origine. L’esprit scientifique y mit rapidement bon ordre mais les excentriques et leur forme totalement imprévisible causèrent bien des interrogations. Dès le début l’origine végétale fut avancée comme hypothèse, à cause de leur ressemblance avec des racines bien évidemment. Par la suite une cause animale fut aussi envisagée : l’animal n’est-il pas plus imprévisible dans ses comportements que le minéral ? Ensuite après des années de doute on replaça ces petites fistuleuses originales au rang de minéraux agités de soubresauts géométriques dus à des courants d’air : hélas cette hypothèse ne résistait pas mieux que les autres à l’examen attentif et critique. Au cours des deux dernières décennies, on en arriva à la conclusion que seuls les phénomènes physico-chimiques de cristallisation associés à des influences micro climatiques étaient en cause. En particulier la tension superficielle qui se manifeste à l’interface des liquides et des cristaux en formation ainsi que des phénomènes de sursaturation carbonique influent directement sur la direction de la cristallisation des excentriques. Mais en science, aucune conclusion ne peut prétendre être définitive. Depuis 2 ans on voit ressortir dans certaines études le spectre animal : des bactéries associées aux cristaux de calcite seraient à nouveau en cause ! Affaire à suivre donc…
5. Intérêt de l'étude macroscopique et microscopique des spéléothèmes C’est en Chine qu’a eu lieu récemment une étude des concrétions et de leur structure interne. Dans l’Est de la Chine (région des moussons) et dans 4 grottes de provinces voisines T. MING, L. TUNGSHENG, Q. XIAOGUANG et W. XIANFENG de l’Académie des sciences Chinoise ont prélevé des tronçons de stalagmites et après les avoir sciés par le milieu et polis en ont étudié l’intérieur. Les résultats sont des plus intéressants. La plupart de ces spéléothèmes possèdent une structure laminée, formée de minces couches de calcite superposées. Ces lamines sont caractéristiques des conditions climatiques de surface au moment de leur formation. Les lamines les plus épaisses correspondent aux années de précipitation fortes et inversement (ceci a pu être vérifié grâce aux données climatiques récentes comparées aux lamines les plus hautes donc les plus " jeunes ") . Entre chaque série de deux lamines ont retrouve une fine couche plus sombre contenant plus de matière organique incrustée : c’est le signe de l’arrivée d’eau " sale " en début de saison des pluies, chaque zone sombre délimite donc une année. Par extrapolation, cette étude permet de lire sur les photographies des coupes de concrétion les variations des précipitations sur plus d’un millénaire : les stalagmites cierge de ces cavités ont agi comme d’immenses pluviomètres enregistreurs. En rapprochant l’étude des lamines des concrétions de celle des cernes de croissance des arbres et en les affinant encore, il devient désormais possible de décrire avec plus de précision ce que fut le climat de certaines régions du monde depuis quelques siècles et donc de mieux comprendre les variations climatologiques de notre planète. Une étude au laser d’un tronçon de 14 cm prélevé sur une stalagmite de la grotte de Choranche (Vercors Isère) a montré que les lamines de celle-ci avaient un aspect particulier. L’alternance de zones sombres et claires ont permis de les dater (deux lamines par an) et la présence d’inclusions de nombreuses particules de charbon de bois dans certaines zones a montré qu’elles étaient en relation directe avec les activités humaines de surface : déforestation par essartage des moines Chartreux et fonctionnement d’une forge à canons durant 2 siècles (XVII et XVIIIe). Quand la spéléologie rejoint la géographie humaine et l’histoire…
6. Conclusion
Doc Carbur |
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