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relief karstique

Relief karstiques
Relief karstiques

Ensemble de formes développées dans une région où prédominent des roches sédimentaires sensibles à la dissolution, calcaires en premier lieu. (Synonyme : relief calcaire.)

Le mot « karst » (du slave kras) désigne un relief particulier associé aux plateaux calcaires. Karst est une région du nord-ouest de la péninsule balkanique, caractéristique de ce type de modelé. La formation des reliefs karstiques est due surtout à l'action corrosive et érosive de l'eau, qui dissout le carbonate de calcium. La plupart des karsts actuels résultent de l'évolution des plateaux calcaires (en Croatie, en Grèce, en Italie, etc.) sous le climat tropical de l'ère tertiaire.

L'essentiel des eaux circule par des réseaux complexes, installés par l'intermédiaire de faille, sous les plateaux calcaires. Elles réapparaissent par des résurgences qui se signalent par des débits intermittents. Les eaux qui surgissent sont souvent chargées de calcaire qui précipite à son arrivée à la surface (travertins, sources pétrifiantes).

1. Le modelé karstique

1.1. Les chenaux et les lapiés

Les régions karstiques possédant un très faible réseau hydrographique superficiel, les pentes y sont rares et l'on y observe une succession de plateaux entaillés par des gorges étroites et profondes où s'écoulent les cours d'eau, les clues. Le modelé karstique est très varié. En parcourant un plateau karstique, l'observateur attentif est frappé par l'aspect souvent buriné des surfaces rocheuses. D'innombrables chenaux, profonds de quelques centimètres à plusieurs mètres, séparent des crêtes aiguës ou des bourrelets plus ou moins arrondis, que perforent souvent des trous grossièrement circulaires ; sur les pentes fortes se développent des cannelures parallèles et verticales. Toutes ces ciselures sont appelées lapiés ou lapiaz (terme d'origine savoyarde).

1.2. Les dépressions fermées

Le second trait caractéristique du modelé karstique est la présence d'un grand nombre de dépressions fermées. Il en est de toutes tailles.

Les dolines

Les dolines, de forme circulaire ou elliptique, peuvent avoir de quelques dizaines à quelques centaines de mètres de diamètre et une profondeur comprise entre 2 et 200 m ; certaines ont une forme en entonnoir, d'autres en baquet. Leur profondeur est également variable mais n'est jamais supérieure à leur diamètre. Les pentes des dolines sont faibles et convergent vers le centre de la dépression. Les dolines sont très souvent alignées selon une fracturation principale ou sur le tracé d'un cours d'eau souterrain.

Les ouvalas

Les ouvalas sont des dépressions au contour sinueux, résultant de la coalescence de plusieurs dolines. De nombreuses ouvalas sont présentes dans les Grands Causses.

Les poljés

Les poljés (d'un terme serbo-croate signifiant « plaine ») sont des plaines fermées, longues de quelques centaines de mètres à plusieurs dizaines de kilomètres et larges de quelques kilomètres au maximum. Le Popovo Poljé, en Bosnie-Herzégovine, en est un exemple souvent cité. Le fond des poljés, tapissé de dépôts meubles, contraste par sa platitude avec les reliefs abrupts et dénudés qui le dominent de toutes parts. Le fond plat des poljés est dû à des colmatages par les résidus de décalcification et des alluvions lacustres. En effet, les résidus argileux des calcaires restent sur place et tapissent le fond des dépressions, les rendant fertiles (terra rossa des régions méditerranéennes). Ce fond étant imperméable, il peut se constituer un lac temporaire comme dans de nombreux poljés de Croatie ; ils peuvent même être transformés en lac permanent (comme à Ioánnina, en Grèce). Le poljé est parfois accidenté de buttes aux flancs raides se dressant à la manière d'îlots rocheux, les hums. Les eaux qui viennent se perdre dans ces poljés sont absorbées par des gouffres, les ponors, qui, à certaines époques, peuvent au contraire rejeter des eaux et inonder plus ou moins complètement la plaine.

1.3. L'enfouissement des eaux

L'enfouissement des eaux est en effet le trait majeur des reliefs karstiques. Sans doute, des cañons, vallées à parois subverticales, voire surplombantes comme les gorges du Tarn, peuvent entailler profondément la masse calcaire ; mais ils sont le plus souvent creusés par des rivières allogènes prenant leur source en dehors des affleurements calcaires et suffisamment bien alimentées pour se maintenir à la traversée de ceux-ci, comme le Lot, le Tarn, l'Ardèche). En dehors des cañons, on ne voit que des vallées sèches au réseau complètement désorganisé ; certaines de ces vallées viennent même se terminer dans des sortes de petits amphithéâtres : ce sont des vallées aveugles.

1.4. La circulation souterraine des eaux enfouies

Dernier trait caractéristique du modelé karstique : la circulation souterraine des eaux enfouies. Celle-ci peut se faire sous pression dans des fissures et des conduits étroits ; elle peut aussi s'effectuer en écoulement libre dans des galeries et des puits. Ces galeries s'élargissent parfois en des salles, dont certaines sont gigantesques ; leurs voûtes se hérissent de stalactites tombant en somptueuses draperies ou en curieuses pendeloques, tandis que de leur plancher se dressent des stalagmites ; stalactites et stalagmites se soudent parfois en de majestueux piliers. Les réseaux souterrains communiquent avec la surface du sol par des gouffres, les avens. Les avens sont d'étroites ouvertures aux parois verticales qui permettent parfois aux spéléologues de découvrir le collecteur qui rassemble toutes les eaux du plateau calcaire. Les réseaux souterrains sont d'un tracé capricieux, ainsi que le révèlent les recherches spéléologiques. Ils se développent en effet le long des surfaces de discontinuité de la roche : diaclases, plans de stratification, failles, chevauchements. De ce fait, les galeries présentent en plan de fréquents zigzags et en coupe verticale de brusques gradins, des contre-pentes et des siphons. Le réseau de ces cavités est très complexe : puits et galeries y alternent avec parfois de vastes salles comme celle de La Verna au réseau de la Pierre-Saint-Martin dans les Pyrénées. Les rivières souterraines, après un parcours parfois très long, donnent naissance à de grosses sources à la périphérie de la masse calcaire : les résurgences, ou sources vauclusiennes, du nom de la célèbre fontaine de Vaucluse. À la fin de son évolution, l'érosion karstique ne laisse en place que quelques chicots calcaires. Les phénomènes karstiques sont bien développés en France dans tous les terrains calcaires : Causses, Alpes maritimes, Provence, Jura.

2. La genèse du relief karstique

L'originalité du relief karstique résulte de la propriété qu'a le calcaire d'être dissous par l'eau. L'eau pure peut dissoudre de 14 à 15 mg de carbonate de calcium par litre. L'eau chargée de gaz carbonique (CO2) peut en dissoudre jusqu'à 90 mg, en le transformant en bicarbonate de calcium. L'érosion karstique est caractéristique des roches solubles sous forme de bicarbonate dans les eaux acides, riches en CO2 :
CaCO3 + H2O + CO2 → Ca(HCO3)2. Cette réaction ne peut se poursuivre indéfiniment, car la quantité de CO2 engagé dans le bicarbonate ne peut dépasser un seuil en équilibre avec le CO2 libre dissous dans l'eau, lui-même en équilibre, variable suivant la température, avec la teneur en CO2 de l'atmosphère.

Pourtant, il est courant de mesurer dans les eaux résurgentes des teneurs en bicarbonate bien supérieures ; dans les chenaux souterrains, ces teneurs peuvent même atteindre 300 mg par litre. C'est que, dans le sol, l'eau se charge de grandes quantités de CO2 et d'acides divers libérés par la décomposition de la matière organique.

Enfin, la réaction de la dissolution s'inverse aisément : il suffit que la pression de gaz carbonique du milieu ambiant diminue pour que le double équilibre soit rompu ; pour le rétablir, du carbonate de calcium est déposé : telle est l'origine des sources pétrifiantes.

Les eaux tombées à la surface du sol dissolvent le calcaire en ruisselant sur la roche nue ou en percolant sous le sol et y creusent des cannelures suivant la ligne de plus grande pente ou le long de fissures qui guident leur course. Ainsi naissent les lapiés, qui tendent à s'approfondir et à s'élargir. Le phénomène s'accélère de lui-même, puisque plus les fissures sont larges, plus les eaux s'y enfouissent aisément. Il semblerait pourtant que cette action cesse au-delà d'une certaine profondeur, les eaux se saturant en bicarbonate au bout d'un certain parcours et perdant toute agressivité, dans la mesure où la capacité de dissolution est limitée par leur teneur en CO2. En fait, la mise en solution exigeant un certain temps, il faut tenir compte de la vitesse de circulation des eaux : plus elle est rapide, plus les eaux conservent d'agressivité pour agir en profondeur. Comme l'élargissement des fissures accélère la circulation des eaux, on comprend que la dissolution progresse en profondeur au cours de l'évolution. Ainsi s'organise peu à peu un réseau souterrain dont le tracé est étroitement dépendant de la disposition originelle des fissures, diaclases et joints de discontinuité, qui ont guidé la pénétration des eaux.

Au bout d'un certain temps, le travail de dissolution est tel que de véritables cavités se forment. Sous le poids des terrains susjacents, leur voûte s'affaisse parfois : les blocs effondrés, baignés par les eaux, sont rapidement digérés, et c'est ainsi que se développent de vastes salles. Mais, quand les galeries grandissent, elles finissent par ne plus être complètement remplies par les eaux ; dès lors, les eaux qui suintent de la voûte pénètrent dans une atmosphère à faible teneur en CO2, la pression diminuant brusquement : le bicarbonate en excédent est immédiatement précipité, et de sa lente accumulation naissent grandissent les stalactites et les stalagmites.

Les répercussions du développement du réseau souterrain sur modelé de surface sont de deux ordres : en premier lieu, les organismes hydrographiques qui avaient pu s'établir au départ et s'étaient maintenus tant que les fissures demeuraient suffisamment étroit pour que l'infiltration soit lente sont complètement désorganisés par perte croissante de leurs eaux. Si une rivière vient à disparaître dans un gouffre, le creusement continue l'amont quand il a cessé à l'aval : ainsi se forment les vallées aveugles. Finalement, en dehors des grandes artères qui parviennent à creuser des cañons, tout le réseau hydrographique s'assèche. En second lieu, la dissolution en profondeur crée des appels au vide qui provoquent des tassements de terrain à l'origine des dolines à versants raides, ou même des effondrements de voûtes qui expliquent certains cañons. Mais les petites dolines semblent résulter de la simple dissolution superficielle d'un volume rocheux fortement fissuré à l'intersection de grandes diaclases.

Les ouvalas et, à plus grande échelle, les poljés, ont été interprétés comme des dépressions nées de la coalescence de multiples dolines. Si cette explication vaut pour certains poljés, plus souvent il est clair que ces plaines se développent latéralement aux dépens de leur cadre rocheux par l'action corrosive qu'exerce la nappe d'inondation, qui en envahit le fond temporairement. C'est pourquoi les poljés sont souvent liés à des situations tectoniques favorisant l'apparition d'une nappe d'inondation : fossé d'effondrement, fond de synclinal, dépression monoclinale, écaille imbriquée. La présence d'un barrage de roches imperméables à l'aval du poljé, empêchant les eaux enfouies dans la masse calcaire de trouver une issue, entraîne la saturation des conduits à proximité de la surface et favorise donc également la constitution d'une nappe d'inondation. Enfin, l'accumulation sur le fond du poljé des impuretés insolubles du calcaire tend à boucher les fissures et à gêner l'évacuation des eaux, le diamètre des ponors étant insuffisant à absorber les eaux en période de fortes pluies.

3. Différents types de karsts

Les karsts se différencient d'abord par leur évolution plus ou moins avancée, depuis les karsts naissants, où n'apparaissent que quelques dolines et où le réseau souterrain n'est pas encore constitué, jusqu'aux karsts très évolués, où la masse calcaire est profondément karstifiée. Cependant, l'évolution en profondeur est limitée par l'apparition d'un niveau imperméable bloquant l'enfouissement des eaux et que l'on appelle niveau de base karstique. Une fois ce niveau atteint, la dissolution progressant dans la masse calcaire, certains auteurs ont imaginé la possibilité d'une complète digestion du calcaire et la reconstitution d'un réseau hydrographique superficiel. Ce cycle karstique, selon leur expression, exigerait un temps d'autant plus long que la masse calcaire à dissoudre est plus épaisse ; il pourrait d'ailleurs être abrégé si, par suite d'une genèse complexe, l'érosion karstique bénéficie de l'héritage d'une karstification ancienne, d'un capital karstique.

Mais le modelé d'un karst ne dépend pas seulement de son degré d'évolution. Le rôle du climat est primordial : il exerce en effet une triple action. En premier lieu, plus l'eau est froide, plus elle peut dissoudre de CO2 et, par suite, plus elle est agressive ; l'eau de fonte de la neige, en particulier, est très riche en CO2 dissous. En revanche, à température élevée, la réaction de la dissolution est activée, ce qui peut compenser, dans certaines conditions, la faible teneur en CO2. En second lieu, la pluviosité est un facteur essentiel de la karstification : même des eaux peu agressives peuvent exercer une action dissolvante importante si elles circulent en abondance dans les conduits souterrains ; c'est pourquoi les karsts les plus évolués s'observent dans les régions fortement arrosées. Enfin, le climat a une action indirecte sur la karstification par l'intermédiaire du couvert végétal, dont il commande la densité et le mode de décomposition de la matière organique. Ces diverses données permettent d'esquisser un tableau zonal du modelé karstique à la surface de la Terre.

3.1. Le karst dans les régions froides

Dans les régions froides, les eaux sont très agressives : elles cisèlent des réseaux de fentes anastomosées, aux flancs dentelés de microlapiés, en mailles d'autant plus serrées que le gel favorise la fissuration de la roche. En revanche, les formes souterraines sont peu développées, car la présence d'un sous-sol gelé en permanence empêche l'infiltration des eaux. Le karst reste donc superficiel.

3.2. Le karst dans les régions tempérées humides

Dans les régions tempérées humides, les eaux sont encore assez fraîches pour disposer d'un fort pouvoir dissolvant ; en outre, la présence d'une couverture végétale continue contribue à en accroître l'agressivité, surtout dans les premiers mètres du sous-sol. À l'inverse des régions froides, la roche est rarement à nu et les lapiés sont rares : ce sont des karsts couverts. Vallées sèches et dolines en sont les formes les plus caractéristiques. Les formes souterraines sont pourtant souvent fort développées, et des cavernes gigantesques ont été recensées ; mais il est toujours difficile de faire la part du climat actuel dans ces formes, la plupart des karsts tempérés ayant connu une longue évolution sous des climats très variés. Dans les régions méditerranéennes, où les héritages de climats plus humides, voire tropicaux, jouent également un rôle important, les eaux, qui tombent surtout en hiver, ne sont pas dépourvues d'agressivité, d'autant que la végétation, bien que maigre, leur confère un pouvoir dissolvant non négligeable. Les lapiés sont particulièrement bien développés. Les complications tectoniques fréquentes des régions riveraines de la Méditerranée expliquent la présence de nombreux poljés. D'autre part, l'importance des soulèvements récents y favorise l'enfouissement des eaux en profondeur ; celles-ci, en se refroidissant dans les grottes, acquièrent un regain d'agressivité. Aussi, les formes souterraines sont-elles développées.

3.3. Le karst dans les régions sèches

Dans les régions sèches, la karstification est insignifiante : l'eau fait défaut, et les rares précipitations font ruisseler des eaux peu agressives du fait de leur température élevée et de l'absence de végétation. Au contraire, dans les régions tropicales humides, la grande abondance des eaux, la forte densité du couvert végétal, même sur des pentes raides, compensent largement la faible agressivité des eaux chaudes. La dissolution très active est à l'origine d'un modelé karstique particulier : dès le début de l'évolution, la surface se troue d'innombrables dolines (karst écumoire), qui, en s'agrandissant, ont tôt fait d'isoler des pitons aux flancs plus ou moins raides (karst à piton ou à tourelles). Entre ces pitons se développent des poljés dont les nappes d'inondation sont particulièrement actives. Mais les eaux ont surtout une action superficielle rapidement saturées, la dissolution étant activée par la température élevée, elles n'ont qu'un faible pouvoir dissolvant en profondeur. Aussi, les formes souterraines sont-elles modestes.

Pour en savoir plus, voir l'article relief.