Le Karst

Le mot karst   vient du mot slovène « kras » et désigne une région située au nord-est de la mer Adriatique où le plateau calcaire présente une morphologie particulière comprenant des cavités et un système de circulation d’eau souterraine.

L’hydrogéologue Gèze proposa une définition du karst  , en 1973 : région constituée par des roches carbonatées compactes et solubles, dans lesquelles apparaissent des formes superficielles (exokarstiques) et souterraines (endokarstiques) caractéristiques.

Le modelé karstique   : paysage singulier

Il résulte de ces processus un paysage particulier associé à une morphologie souterraine. En effet, les paysages karstiques   se caractérisent par l’absence d’écoulements de surface. Les cours d’eau, issus de domaines non karstiques   adjacents ou de recouvrements imperméables, disparaissent rapidement au niveau de pertes et peuvent réapparaitre à l’air libre sous forme de résurgences (Dörfliger et al., 2010). Le modelé karstique   est donc singulier et présentent différentes formes singulières à la fois en surface et en profondeur.
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Les processus de karstification

La création de ces formes karstiques   provient du phénomène de karstification qui consiste à transformer une formation à l’origine carbonatée (calcaire, dolomie  ) en un réservoir karstique  . Ce processus d’altération est une combinaison de plusieurs facteurs : la fissuration, la dissolution et l’érosion mécanique (Mangin, 1975).

  • Les roches carbonatées ont un comportement cassant. Sous l’effet d’une contrainte, des fissurations apparaissent et permettent alors la circulation de l’eau ;
  • La dissolution de la roche apparaît lorsque l’eau de pluie, chargée en gaz carbonique, produit par les végétaux et les colonies bactériennes, devient suffisamment acide pour mettre en solution la roche calcaire. Cette dissolution fait intervenir de nombreux paramètres physico-chimiques dans un ensemble de réactions qui peut être simplifié ainsi (Dörfliger et al., 2010) :
    eau + CO2 (gaz carbonique) + CaCO3 (roche) → eau + (calcium + bicarbonate)
    L’eau chargée en gaz carbonique dissout le carbonate de calcium (CaCO3) de la roche pour former un sel dissous de bicarbonate de calcium qu’elle transporte et évacue vers les cours d’eau ;
  • L’action mécanique intervient lorsque l’eau entraîne des éléments (particules minérales, impuretés, …) qui vont avoir un rôle abrasif sur les parois des conduits et entraîner ainsi leur élargissement.

Les spécificités du karst  

A ce paysage particulier, s’ajoute une hiérarchisation des vides depuis l’amont vers l’aval, donnant toute son originalité à l’aquifère   karstique  , et qui aboutit à un drainage progressif des eaux d’infiltration   vers une source   souvent unique (Muet et al., 2011). Ainsi, les écoulements souterrains s’organisent en système karstique   d’une façon assez similaire à celle d’un réseau hydrographique   de surface, où les petits ruisseaux confluent pour former en aval un cours d’eau unique.

Comme tout aquifère  , l’aquifère   karstique   possède une zone non saturée   appelée « zone d’infiltration   » et une zone saturée appelée « zone noyée » (Muet et al., 2011) :

  • la zone d’infiltration   : la partie supérieure de la zone non saturée  , constituée d’une couche altérée pouvant faire plusieurs mètres d’épaisseur, présente une perméabilité   plus importante. Cette partie, appelée épikarst, permet aux eaux de pluie de disparaître rapidement dans le sous-sol et de rester temporairement stockées avant de s’infiltrer plus en profondeur. L’infiltration   de l’eau vers la zone noyée s’effectue soit rapidement, au travers de conduits verticaux, soit plus lentement (fissures faiblement ouvertes).
  • la zone noyée : elle se développe principalement à l’aval, sans nécessairement s’étendre à l’ensemble du massif. Elle comprend une structure drainante (drains) qui évacue, vers l’exutoire, l’eau de la zone saturée, elle-même alimentée par l’eau transitant à travers la zone non saturée  . Latéralement aux structures de drainage, sont situées les zones capacitives de l’aquifère   appelées « systèmes annexes au drainage » (Mangin, 1975). Selon le degré d’organisation des écoulements, ces systèmes annexes au drainage peuvent être constitués par des fissures élargies saturées ou de véritables cavités représentant des volumes importants.

L’aquifère   karstique   présente donc une organisation particulière dans laquelle :

  • les fonctions classiques de stockage et drainage sont séparées, au moins dans la zone noyée, et sont assurées par des éléments distincts de la structure :
    • le drainage est assuré par un réseau de conduits hiérarchisé,
    • le stockage est réalisé par un ensemble d’éléments hydrauliquement indépendants les uns des autres (depuis la microfissure ou pore de la roche, jusqu’aux cavités de grandes dimensions), mais tous connectés plus ou moins bien au réseau de conduits.
      Il en résulte un compartimentage hydraulique responsable de très fortes hétérogénéités.
  • les dimensions des vides couvrent une large gamme induisant des vitesses d’écoulement souterrain de quelques centimètres par heure à plusieurs centaines de mètres par heure. Ainsi, la très grande majorité des eaux séjourne moins d’un cycle hydrologique, et, lors des crues, seulement quelques jours à quelques semaines. Pour cette raison, toutes les caractéristiques physiques, chimiques et hydrauliques, présentent une très grande variabilité spatiale et temporelle.

Ces structures et fonctionnements propres au karst   rendent difficile la gestion des ressources en eau, du fait notamment de :

  • la variabilité temporelle des débits et des signatures chimiques,
  • la vulnérabilité vis-à-vis des pollutions,
  • des anomalies thermiques (remontées d’eaux chaudes en surface) ou températures anormalement froides en profondeur,
  • des difficultés d’identification des bassins d’alimentation…

Bibliographie

Dörfliger N., Crochet P., Guerin R., Jozja N., Marsaud B., Mondain P.H., Muet P. et Plagnes V. (2010) - Guide méthodologique. Les outils de l’hydrogéologie   karstique   pour la caractérisation de la structure et du fonctionnement des systèmes karstiques   et l’évaluation de leur ressource. BRGM/RP-58237-FR, 246 p., 82 illus., 5 ann.

Gèze B. (1973) - Lexique des termes français de spéléologie physique et de karstologie. Ann. Spéléol., 28, 1, p.1-20

Mangin A. (1975) - Contribution à l’étude hydrodynamique des aquifères   karstiques  . Thèse de Doctorat ès Sciences, Université de Dijon. 267 p.

Muet P., Vier E., Crochet P., Marsaud B. et Mondain P. H. (2011) - Stratégies de protection des ressources karstiques   utilisées pour l’eau potable. Guide pratique Agence de l’eau Adour-Garonne, 84 p.

Pour aller plus loin

Bakalowicz M. (1979) - Contribution de la géochimie des eaux à la connaissance de l’aquifère   karstique   et de la karstification. Thèse de doctorat : Université Pierre et Marie Curie - Paris 6, 269 p.

Bakalowicz M. (1999) - Connaissance et gestion des ressources en eaux souterraines   dans les régions karstiques  . Guide technique n°3. SDAGE Rhône - Méditerranée - Corse. Agence de l’Eau Rhône - Méditerranée - Corse, Lyon, 44 p.

Gilli E. (2011) - Karstologie - Karsts, grottes et sources. Collection : Sciences Sup, Dunod, 256 p.

Marsaud B. (1997) - Structure et fonctionnement de la zone noyée des karsts à partir des résultats expérimentaux. Thèse de doctorat : Université Paris XI Orsay, 335 p.

Salomon J.N. (2006) - Précis de karstologie. Presses Univ. de Bordeaux, 143 p.

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