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Les dolomies néoarchéennes de la région du Gauteng, en Afrique du Sud, contiennent de nombreux paléokarsts ayant livré des fossiles de nos ancêtres : les homininés (australopithèques, paranthropes et Homo). Leur richesse et la période chronologique qu’ils couvrent permettent de mieux documenter l’apparition de notre genre, à tel point que l’UNESCO a baptisé cette région « le berceau de l’Humanité ». Dans les grottes, d’importants volumes de fantômes de roche sont reconnaissables, encore en place et parcourus par les lits de cherts en continuité avec la roche saine. Très poreuse et fragile, cette altérite est aujourd’hui encore en cours de vidange, dans les parties basses des réseaux, par les oscillations saisonnières du niveau de la nappe phréatique. Mais on retrouve également des témoins de cette altérite dans les conduits fossiles, aussi bien à la voûte que le long des parois. Il apparaît que l’essentiel du volume des conduits était initialement constitué de roche fantômisée et qu’une grande partie des vides initiaux a été formée par le tassement et/ou l’évacuation de l’altérite. Ce processus s’est réalisé au fur et à mesure de l’encaissement de la vallée de la Blaubank qui en a scandé l’évolution depuis plusieurs millions d’années. Le recul des versants et l’abaissement de la surface karstique ont recoupé successivement ces vides permettant alors le piégeage des fossiles dans les parties en connexion directe avec la surface. À la base des remplissages fossilifères, on retrouve encore plusieurs mètres à plusieurs dizaines de mètres d’épaisseur de brèches et de sable limoneux noir à blocs de cherts. Il s’agit du fantôme effondré sur lui-même et qui constitue la base stérile de tous les remplissages à hominines anciens de ces sites.
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La bordure carbonatée mésozoïque nord-est du Bassin aquitain a été le siège de plusieurs phases d’altération majeures alternant avec des épisodes d’érosion. Il en résulte une organisation complexe et polyphasée des systèmes karstiques qui peut être appréhendée en intégrant diverses notions de karstologie, géomorphologie, géologie et hydrogéologie. Le recensement de divers travaux effectués sur le karst, couplé aux observations menées sur le terrain, permet d’attribuer différents types de karstification à différentes périodes. Le Crétacé inférieur, le Paléocène et dans une moindre mesure l’Oligocène constituent des périodes d’altération favorables au développement de cryptokarstification et de fantômisation. Ces phénomènes génèrent une karstification affectant de grands volumes, à l’origine d’une organisation importante du réservoir. Ces périodes d’altération alternent avec des périodes d’érosion attribuées au Crétacé inférieur, à l’Eocène et du Miocène à l’Actuel, au cours desquelles le recul de la couverture altéritique en surface et le décolmatage des fantômes de roche au sein du réservoir contrôlent le fonctionnement gravifique des karsts. À partir de ces données, un modèle conceptuel d’évolution de la karstification depuis le Crétacé inférieur affectant la bordure nord-est du Bassin aquitain est proposé. Croisé avec des données hydrogéologiques, ce modèle conceptuel permet de mieux comprendre le fonctionnement hydrogéologique des systèmes karstiques actuels et d’expliquer l’origine de trois comportements bien distincts : (i) des grands systèmes karstiques, essentiellement en aquifères libres, au sein des formations jurassiques affleurant sur l’extrême bordure est du bassin, (ii) de plus petits systèmes en aquifères en partie captifs dans les formations crétacées et (iii) des aquifères semi-captifs, eux aussi de grande extension, au sein des formations jurassiques sous couverture crétacée.
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À partir des approches systémiques, les concepts géologiques sur le karst ont évolué avec la prise en compte de la diversité et la variabilité des processus en jeu. La question des karsts gravifiques, hypogènes et littoraux est appréhendée dans des contextes variés et plus particulièrement dans le contexte des bassins sédimentaires (Husson, 2013). La karstification sous couverture ou cryptokarstification a fait l’objet de nombreuses études et se trouve maintenant bien comprise dans sa mise en place et ses évolutions (Renault, 1967 ; Nicod, 1994 ; Combes, 1978 et 1998 ; Jaillet, 2000 ; Quinif et Vergari, 1997). Avec la fantômisation, les processus d’altération sont mis en évidence pour la structuration des systèmes karstiques et pour des échelles géographiques parfois importantes (Bruxelles 2001 et 2002 ; Cailhol, 2015 ; Dandurand, 2011 ; Dubois et al., 2014 ; Quinif 1999, 2010). Auparavant, différents travaux avaient déjà pointé ces phénomènes et évoqué des processus à même de contribuer à leur installation (Aubert, 1975 ; Fénelon, 1976). Par ailleurs, ces processus sont généralement invoqués pour expliquer la présence de nombreuses cavités en roches silicatées non carbonatées (Willems et al., 2005). Les observations et les études réalisées dans différentes régions montrent à propos de la fantômisation, la nécessité de contextes de basse énergie, de climats particuliers et de temps long pour installer des mises en solution et des hydrolyses au sein des séries carbonatées. Ces préalables sont nécessaires à la mise en place des formes d’altération et à leur évolution potentielle vers des cavités et des systèmes spéléologiques (Dubois et al., 2014). Ce sont les travaux de sédimentologues, de micro-bio-géologues et des géologues qui ont amené les éléments de compréhension des dynamiques et des mécanismes en jeux qui concourent, à terme, à l’installation puis l’évolution des profils d’altération de ce type (Boulvain, 2011 ; K ,edzierski, 2015 ; Wyns, 2002). Cet article propose de passer en revue à travers les exemples situés dans le massif du Jura et dans la bordure du Bassin aquitain, en Dordogne, les conditions d’installation de cette karstification par fantômisation et pour les paysages, les morphologies actuelles s’y rapportant. Il sera également abordé le contexte des évolutions de ces structurations par rapport aux réseaux des systèmes du karst classique et leur raccordement avec des fonctionnalités, comme évoqué dans « Control of vertical cave pattern » par Audra et Palmer (2013).
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La karstification par fantômisation s’est imposée comme un paradigme prouvé à maintes reprises pour de nombreux exemples de systèmes : karsts de l’Entredeux-Mers, système de la Touvre en Charente, grotte de Trabuc, karsts du Mâconnais, karsts belges, karsts du lac de Como pour n’en citer que quelques uns. La difficulté est de découvrir dans des cavités ayant connu un long passé de circulations fluviatiles les preuves de la phase « fantômes de roche » antérieure. Or, les grands vides à composante verticale, salles ou puits, peuvent être interprétés dans le cadre de ce paradigme. Cette interprétation s’appuie sur l’observation in situ de structures à altérite résiduelle à divers stades de leur évolution, couloirs verticaux dont le stade fantôme a été décrit à plusieurs reprises à partir d’exemples pris dans les paléokarsts du Hainaut en Belgique. Ces couloirs évoluent après érosion totale ou partielle en formes verticales encombrées des blocs résiduels intacts de l’altération qui se retrouvent alors soit empilés les uns sur les autres, soit progressivement évacués par l’érosion normale d’une rivière souterraine. Différents stades évolutifs de ces structures peuvent aboutir à la formation de dolines, de puits ou de salles. Nous présentons dans cette communication des exemples choisis dans des grottes belges (Han-sur-Lesse et grotte du Pont d’Arcole à Hastière) et évoquons les perspectives qui s’ouvrent pour expliquer par cette karstogenèse la formation des grands puits.
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Le concept de karstification par fantômisation a pu être démontré à travers trois groupes d’observations. (1) Les paléokarsts dans les carbonates carbonifères du Hainaut dévoilés par les carrières de Soignies et de Tournai constituent des fantômes de roche encore garnis en grande partie de leur altérite résiduelle dans des formes souterraines ayant de forts liens de parenté avec les formes endokarstiques traditionnelles. (2) La grotte « improbable » dans la carrière du Clypot (Soignies) renferme une série sédimentaire fluviatile qui érode l’altérite résiduelle in situ d’un fantôme de roche endokarstique, série datée du Dano-Montien prouvant le passage d’un karst de type fantôme de roche à la grotte spéléologique. (3) La vidange observée de visu d’un fantôme de roche endokarstique dans la carrière de Nocarcentre (Écaussinnes) fut provoquée par l’érosion de l’altérite résiduelle due à une rivière souterraine issue de la nappe entourant cette carrière puits. Ce phénomène constitue une vraie expérience du passage du fantôme de roche à la grotte spéléologique. Le phénomène ne faisant plus de doute, il reste à démontrer dans chaque cas l’origine du karst spéléologique : provient-il d’un fantôme de roche ou d’une karstification par enlèvement total ? Plusieurs faits sont interpellant, notamment la genèse de plusieurs microformes souterraines caractéristiques dans un contexte de fantômisation, obligeant ainsi une grande prudence dans leur interprétation génétique : peut-on garder un lien causal facteur génétique –formes résultantes sur base des concepts traditionnels ? Nous examinons ici des exemples de grottes où la recherche des fantômes de roche a pu conduire à leur découverte malgré l’érosion violente et prolongée des galeries par des écoulements souterrains fluviatiles (Han-sur-Lesse, grotte d’Azé, karst de l’Entre-deux-Mers, karst charentais). Ensuite, la karstification par fantômisation en Belgique est replacée dans l’histoire géologique régionale en évoquant l’application à d’autres systèmes karstiques. Nous terminons par la possible généralisation de la fantômisation à tous les systèmes karstiques.
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La grotte, emblème spéléologique fondateur, se révèle être le produit d’une longue et complexe évolution qui s’individualise après la définition d’une altération concentrée de l’encaissant considéré. Initialement absente de l’érosion globale du relief, elle connaît une première définition dans la concentration de l’altération autour d’un noyau. S’en suivent des phases de transformation de l’encaissant sous forme d’altérite dont l’effondrement du squelette donne lieu à l’ouverture d’un premier espace vide. C’est à partir de cet espace que l’eau concentrée peut pénétrer le futur drain qui prend forme dès lors qu’une solution de continuité hydrologique est définie, par coalescence des noyaux d’altération devenus alvéoles. C’est la naissance de la grotte karstologique qui peut devenir spéléologique dès lors que les phases hydrodynamiques la libèrent d’une partie de son stock sédimentaire introduit par les écoulements depuis les points de pénétration. L’évolution du relief, continuant de subir les affres de l’érosion, peut déconnecter le drain qui se fossile, puis qui est recoupé par la topographie, devenant ainsi un paléokarst qui disparaîtra avec le relief qui le contient.
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La grotte des Petites Dales (Normandie, France) est une grotte à une entrée de la craie du Coniacien de l’ouest du bassin de Paris. La galerie étudiée ou « galerie principale » mesure 453 m de longueur avec une section variant de 2 à 5 m de largeur pour 2 à 3 m de hauteur en moyenne et pouvant atteindre 15 m pour sa plus grande hauteur. Cette galerie principale est quasiment horizontale. La climatologie de cette grotte est très variable dans l’espace et dans le temps. Aussi, pour étudier l’impact du climat passé et présent, une étude de la climatologie actuelle en lien avec l’évolution du climat a été développée. Des enregistreurs multi-paramètres « à haute fréquence » ont été mis en place dans la cavité. Les sondes mesurent simultanément en voûte et en radier les paramètres physiques suivants : humidité spécifique (poids d’eau), hygrométrie relative de l’air, température. Un enregistreur à l’extérieur mesure ces mêmes paramètres physiques. Les pressions barométriques extérieure et intérieure (à 40 m de l’entrée) sont mesurées. Un suivi sur les fluctuations de CO2 en voûte et en radier a également été réalisé. Des mesures de vitesses et de pression barométrique ont aussi été réalisées sur de courtes périodes. La température de la grotte, dans une très grande partie du conduit (partie profonde), est faiblement variable sur une année. La géométrie de la grotte n’est pas déterminante sur la température de l’air. Une zone d’échange de chaleur et d’eau entre masses d’air et parois a été localisée dans les cent premiers mètres. L’objectif de cette étude est de comprendre comment s’effectuent les transferts thermiques entre l’air et la roche, à partir de la mesure des variations journalières de température entre l’extérieur et l’intérieur de la grotte. On constate que lorsque l’humidité spécifique extérieure est proche de celle de l’intérieur, l’air extérieur ne pénètre pas au-delà de 40 m. En revanche, en hiver quand les humidités spécifiques extérieures sont basses et que la situation se prolonge, une lame d’air de 70 cm de hauteur entre par le bas et se développe jusqu’à 150 m voire 200 m de l’entrée où elle ne mesure plus que 5 à 10 cm d’épaisseur. Des phénomènes de condensations s’observent en parois en fonction de ces situations. Au-delà des zones d’échange (à 200 m et plus de l’entrée) existe une zone qui constitue un réservoir d’air qui se vidange vers l’entrée à vitesse variable en fonction de la nature des échanges saisonniers et de l’écart entre les humidités spécifiques. Dans cette zone réservoir, on observe de petites cellules de convection dues aux différences de température entre l’air et les parois. Les enregistrements ont confirmé que lorsque les humidités spécifiques à l’extérieur de la grotte sont supérieures ou inférieures à celles de la grotte, l’air extérieur entre par le bas ou par le haut et ressort mélangé en sens inverse de son sens d’entrée. Le phénomène dure, en fonction de l’évolution des humidités spécifiques extérieures, de quelques heures à plusieurs semaines.
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