Karst et glaciation au Canada
Karst and glaciation in Canada
p. 249-266
Résumés
Les calcaires, les dolomies, le gypse et l’anhydrite couvrent plus de 120 000 km2 au Canada et il y a plus de 50 000 km2 de sel susceptibles d’être affectés par la dissolution. La plupart du pays a été englacé à de multiples reprises par les glaciers, alpins ou de type continental, au cours du Quaternaire. Les inter-relations entre les glaciers et les composantes des systèmes karstiques se développant dans ces roches, sont à la fois complexes et variées. Neuf effets différents de l’action glaciaire sur le karst peuvent être distingués : 1) l’abrasion glaciaire, affectant surtout les lapiés ; 2) La dissection des systèmes de cavités, notamment dans les secteurs de type alpin ; 3) le remplissage des dolines et des poljés par les débris glaciaires ; 4) l’injection profonde de débris dans l’aquifère, rendant celui-ci en partie ou totalement inopérant ; 5) la protection des soubassements rocheux solubles vis-à-vis de la dissolution d’origine postglaciaire par des débris riches en fragments solubles ; 6) le recouvrement des dallages calcaires et dolomitiques par les moraines issues de la fusion glaciaire ; 7) l’intensification de la karstification par la surimposition d’aquifères glaciaires sur les aquifères karstiques ou la concentration des écoulements de fonte vers l’interface marginale glacier/terrains karstiques ; 8) l’approfondissement des gradients hydrauliques de l’eau souterraine à la suite de l’encaissement des vallées lié à l’action glaciaire ; 9) la conséquence de la dissolution de strates internes par des injections profondes d’eaux souterraines pendant le retrait glaciaire et le soulèvement isostasique consécutif. Le rôle complexe de ces différents facteurs et leur combinaison expliquent la grande variété de ces régions karstiques soumises à la glaciation.
Limestone, dolomite, gypsum and anhydrite outcrop over 120000 square kilometres in Canada and there are more than 50000 km2 of salt accessible to interstratal dissolution. Most of the country was repeatedly glaciated by alpine glaciers or continental icesheets during the Quaternary. The interrelationships between glaciers and components of the karst system developing in these rocks are complex and varied. Nine differing effects of glacier action upon karst are recognised here: 1) erasure by glacier scour, impacting chiefly upon karren; 2) dissection of cave systems, principally in alpine areas; 3) infilling of dolines and poljes with glacial detritus; 4) injection of detritus deep into the aquifer, rendering it partly or wholly inert; 5) shielding of soluble bedrocks from postglacial dissolution by detritus rich in soluble fragments; 6) sealing of limestone and dolomite pavements by meltout tills; 7) acceleration of karst development by superimposing glacier aquifers upon karstic aquifers or focussing melt streams into glacier-margin karst terrains; 8) steepening groundwaters hydraulic gradients by glacial entrenchment of valleys; 9) inducing interstratal dissolution by deep injection of groundwaters during glacial recession ans isostatic rebound. Varying efficiencies and combinations of these differing effects can produce great variety in glaciated karst regions.
Entrées d’index
Mots-clés : Quaternaire, glacier, érosion, colmatage, injection, protection, système karstique
Keywords : Quaternary, erasure, karst system, dissection, infilling, injection, shielding, sealing
Texte intégral
INTRODUCTION
1C’est un honneur d’avoir été invité à contribuer à l’hommage à Jean NICOD. C’est le doyen des karstologues français et il est connu mondialement pour ses recherches. Ses disciples sont parmi les leaders de la prochaine génération. Les travaux minutieux du Professeur Jean NICOD sur les karsts alpins et subalpins, agrémentés par de remarquables cartes géomorphologiques, sont particulièrement appréciés par la communauté internationale des karstologues, de même que ses comparaisons et ses synthèses sur les karsts méditerranéens. Un trait de ses écrits est la force avec laquelle il a toujours insisté sur la variété des formes karstiques et des structures qui peuvent exister. C’est pourquoi, pour lui rendre hommage dans cet essai, j’ai choisi de discuter d'un aspect de cette variété : la large palette des effets que les processus liés à la glaciation ont pu avoir sur les paysages karstiques et sur les systèmes hydrologiques karstiques
I. LE SYSTEME GEOMORPHOLOGIQUE KARSTIQUE
2Un modèle des composantes du système karstique et de leurs inter-relations est illustré par la figure 1 (d’après FORD et WILLIAMS, 1989). La dissolution des roches est le processus prépondérant. En conséquence, la caractéristique du système à mettre en exergue est que l’eau circule sous terre par des réseaux de fissures ou de conduits élargis par dissolution (grottes), au lieu de ruisseler en surface par des chenaux à ciel ouvert. La plupart des cavités sont suffisamment profondes pour avoir subsisté au décapage glaciaire, ce que n’ont pu faire les chenaux d’écoulement de surface ; de nouveaux réseaux ont dû s’établir après chaque glaciation, mais les systèmes souterrains ont pu perdurer, avec quelques modifications. Bien que la figure 1 indique que les réseaux de chenaux karstiques ont pu s’établir sous l’effet d’eaux thermales, ou celui d’autres eaux profondes, la plupart des réseaux au Canada ont été créés par les eaux météoriques circulant vers des profondeurs ne dépassant pas quelques centaines de mètres, par le biais de conduits allant de quelques centaines de mètres à plusieurs dizaines de kilomètres de longueur.
3Les paysages karstiques de surface peuvent se subdiviser en deux catégories :
les paysages d’absorption d’énergie (“input landforms”) qui canalisent les eaux vers l’aquifère ;
les paysages de production d’énergie (“output landforms”) liés aux sorties d’eau.
4Dans la plupart des régions karstiques, le premier type est prédominant. Les modelés à petite échelle sont représentés par des puits de dissolution et des cannelures, regroupés sous le terme de “Karren” (fig. 1). Individuellement ils varient en longueur ou profondeur, de 1 cm à quelques mètres, mais des combinaisons de ces formes (dallages calcaires) peuvent couvrir plusieurs km2. A moyenne échelle, les dolines et les gouffres sont les figures représentatives. Ce sont des dépressions fermées tantôt cylindriques, tantôt en entonnoir ou en cuvette pouvant aller de un mètre à 1 km de diamètre. Les poljés sont des dépressions fermées à fond plat plus grandes, qui peuvent s’inonder de façon saisonnière. Beaucoup d’eau karstique rejoint aussi le monde souterrain via les points d’absorption des vallées et gorges sèches.

Figure 1 : Les composants du système géokarstique.
Components of the karst geomorphic system (from FORD & WILLIAMS, 1989).
5Le second type comprend les petites gorges engendrées par le soutirage des têtes des sources et les formations de travertins là où les eaux de source abandonnent leur charge dissoute. Les karsts matures peuvent aussi présenter des plaines alluviales de corrosion sous le niveau des sources, avec des buttes résiduelles disséminées au-dessus, bien reconnaissables à leurs versants très escarpés (hums et tours).
6Les roches karstiques importantes sont le sel, le gypse et l’anhydrite, les calcaires et la dolomie. Le sel est si soluble (350 000 mg/1) qu’on ne le trouve à l’état d’affleurement que dans certaines zones désertiques. Là où l’eau peut s’introduire dans son corps (qu'importe l’épaisseur des roches qui le surmontent), il est dissout en masse (notion de “karst interstrate”). Le gypse et l’anhydrite sont “en équilibre” entre 2000 et 3000 mg/1 pour la plupart des eaux ; c’est suffisant pour assurer que les formes karstiques y apparaissent rapidement lorsqu’ils sont exposés, et que leur dissolution interstrate est souvent significative.
7La charge soluble (équilibre) pour les calcaires et les dolomies est plus bas (de 50 à 400 mg/l) ; aussi faut-il des milliers d’années pour qu’une circulation karstique souterraine puisse s’établir. Toutefois ils sont prédominants par endroits ; c’est dans ces roches que la plus grande étendue et variété de paysages karstiques se développent.
II. LE KARST ET LA GLACIATION AU CANADA
8La figure 2 montre la répartition des roches karstiques au Canada. Pour le gypse et T anhydrite, le calcaire et la dolomie, seuls les affleurements sont indiqués, par exemple là où ces roches ne sont pas surmontées par d’autres roches compactes, bien qu’elles puissent être recouvertes par des placages de débris glaciaires. L’ensemble de ces affleurements représente une superficie de 1,2 x 106 km2 environ. En outre, il existe au moins une étendue de 0,7 x 106 km2 sous le Québec, l’Ontario, les Provinces de la Prairie et la vallée du Mackenzie où ces roches ne sont recouvertes que par une mince couverture de roches récentes et donc peuvent être sujettes à l’emprise de la dissolution interstrate. Le sel est présent à des profondeurs de 200 à 2400 m, sous 0,5 x 106 km2 dans les Provinces de la Prairie et dans bien des secteurs, plus petits, de la Nouvelle Ecosse, du Nouveau Brunswick, de l’Ontario, de la Colombie Britannique, de la Vallée du Mackenzie et des îles arctiques.

Figure 2 : Répartition des karsts et roches karstiques du Canada.
Karst and karstic rocks of Canada. 1. Principaux affleurements de calcaire, dolomie et gypse. 2. Sel en profondeur. 3. Morphologies karstiques de surface signalées ou étudiées. 4. Principaux groupes de sources salines.
9Les roches karstiques apparaissent dans chaque dépression topographique ou affaissement tectonique connue au Canada. Les étendues de lits calcaires de plate-forme, dolomitiques ou gypseux, horizontales ou légèrement déformées, prédominent, notamment dans le sud de l’Ontario, les Lowlands de la Baie d’Hudson, le Manitoba, la vallée du Mackenzie et l’île Victoria. Des masses très déformées sont localisées dans l’orogène appalachien : partie occidentale de Terre Neuve, Nouvelle Ecosse et péninsule de Gaspésie (Québec). Des roches carbonatées, déformées et souvent métamorphisées, s’observent dans le Shield, particulièrement dans la province géologique de Grenville (marbres) et la dépression synclinale du Labrador. De grandes nappes de charriage calcaires et dolomitiques constituent le corps principal des Montagnes Rocheuses et des Monts Mackenzie. Des couches soulevées et plissées jouent également un rôle important dans le nord-est de l’île de Vancouver, au sein de la Colombie Britannique et dans les îles arctiques.
10A l'exception de petites portions du lointain nord-ouest (vallée du Yukon, la plaine côtière et quelques chaînons adjacents), l’ensemble du Canada a été englacé au cours du Quaternaire. La plus grande partie de l’Est des Rocheuses a été ensevelie sous une gigantesque calotte (l’inlansis continental des Laurentides) qui s’est aussi avancée au sud vers les Etats-Unis. Des traces d’au moins quatre recouvrements par les glaces (glaciations) ont été préservées, mais le nombre des glaciations est probablement nettement supérieur. Les calottes ont atteint l’épaisseur maximale de 5000 m ; la couverture surmontant les roches karstiques dépassait généralement 1000 m. On sait que les conditions à la base du glacier (interface glace/soubassement rocheux) étaient à la fois complexes et variées et qu’elles se sont modifiées avec le temps. Dans de nombreux endroits la glace était réchauffée à sa base (par exemple par l’eau de fonte liée à la pression ou par des eaux d’une autre origine), mais ailleurs elle restait congelée sur le fond (glace “froide” ou “polaire”). Les îles arctiques ont été recouvertes à plusieurs reprises par des couches de glace plus minces et généralement très froides à leur base ; cependant la glace s’épaississait dans les fjords où elle était certainement rechauffée à sa base par moments.
11Les montagnes occidentales furent bouchées par des glaciers de cirques et de vallées qui, par débordement et coalescence, formèrent une calotte de montagne lors du maximum de chaque grande glaciation. Les conditions étaient similaires à celles des Alpes si ce n’est que les masses glaciaires furent le plus souvent à la fois plus étendues et plus épaisses et restèrent jointives pendant des périodes plus longues. Vers le nord le contact basal devenait de type “froid”.
12La dernière calotte (“Wisconsin” équivalent du Würm) semble s’être étendue sur le pays à partir du nord et du centre des montagnes, vers 30 000 à 20 000 ans. Elle déclina très rapidement entre 14 000 et 10 000 ans BP, relachant d’énormes quantités d’eaux de fonte.
13Avec une telle abondance de roches solubles et des climats allant des types humide à subhumide, on peut supposer que les paysages karstiques existaient avant la première incursion glaciaire sur le Canada. Les processus karstiques ont dû agir pendant tous les interglaciaires et interstades ; avec une extension moindre et d’une façon différente, ils ont dû également opérer sous les glaciers. Il y a donc eu une action contraire entre les processus karstiques et les processus glaciaires, mais aussi une interaction entre-eux. Ceci nous permet d’affirmer que le karst actuel au Canada est certainement complexe.
III. LES EFFETS DE L’ACTION GLACIAIRE SUR LES SYSTEMES KARSTIQUES
14Le tableau 1 regroupe les neuf effets différents que j’ai pu trouver quand les glaciers viennent recouvrir un karst et des aquifères karstiques développés au préalable. Dans ces cas, il peut se produire des effets supplémentaires en attendant que le karst se découvre. Le large éventail de possibilités évoquées par le tableau suggère que les processus actuels, étudiés séparément, ne peuvent pas nous renseigner sur l’évolution d’un karst qui a été englacé : ils ne nous permettent pas de prévoir avec précision ce que l’on s’attend à trouver lorsqu’on étudie une nouvelle aire géographique.
A. L'abrasion (“erasure”)
15L’abrasion de figures karstiques peu importantes par la base du glacier, par arrachement et rainurage, est une action importante et étendue. Dans les endroits où on l’observe, cela implique que le glacier avait une semelle humide lui permettant de glisser sur le fond rocheux, peut-être en décongelant et en arrachant, là où le film d’eau était capable de s’infiltrer rapidement vers les conduits karstiques souterrains. L’abrasion affecte particulièrement les lapiés et les microlapiés parce qu’ils sont petits et fragiles et ont tendance à disparaître en totalité. Lorsqu’une grande densité de lapiés a engendré un dallage (“pavement" ou “clint-and-grike”, SWEETING, 1972), celui-ci a pu être largement mis à nu par l’action glaciaire. L’abrasion a été dominante sur les vastes étendues calcaires et les régions dolomitiques du sud de l’Ontario et du Quebec, telles que l’Escarpement du Niagara ou l’île de Montréal. Elle a été particulièrement efficace sur les biohernies dolomitiques (petits récifs) exposés sur la Péninsule de Bruce, à l’extrêmité nord de l’Escarpement. De nos jours, celui-ci exhibe l’un des plus remarquables (et inhabituel) paysage de dallage à lapiés (“clint-and-grike”) du Canada ; l’ensemble paraît être presque entièrement d’origine et d’âge postglaciaire.

Figures 3 (ci-contre) : Illustration de deux actions glaciaires antagonistes sur des lapiés dans des dolomies. Ces sites ont été recouverts par l’inlandsis des Laurentides au Wisconsinien. Illustrating two extremes of glacial effects upon karren pavements in dolomites. Both sites were overridden by the late Wisconsinan LaurentideIcesheet.
Figure 3/A(en haut) : Abrasion de couche de dolomie par le décapage glaciaire et colmatage de racines de Kluftkarren par du matériel morainique argileux. Stries et polis glaciaires sont bien préservés sous 1 m de moraine. (Escarpement de Niagara, Waterdown, Ontario).
Complete removal (erasure) of upper dolomite beds by glacier scour, and infilling of surviving kluftkarren bases by clay till. Glacial striations and polish are well preserved beneath one metre of till with dolomite detrital fragments here. The site is on the Niagara Escarpment at Waterdown,Ontario.
Figure 3/B(en bas) : Préservation parfaite de lapiés sous moraine de retrait, avec une faible injection de débris glaciaire dans les cavités (Winnipeg, Manitoba).
Perfect preservation of dolomite pavement beneath a melt out till, with little infilling or injection of glacial detritus into the karst cavities. The site is at Winnipeg, Manitoba.
16Il y a peu de buttes résiduelles ou de tourelles dans le karst canadien. Ceux que je connais semblent être postérieurs à la glaciation. L’explication est que le décapage glaciaire a détruit les plus anciennes. Quelques collines coniques calcaires plus grandes ont subsisté avec des modifications liées à l’action de la glace dans le secteur de “Goose Arm” de Terre Neuve et dans la vallée de la rivière Benson dans l’île de Vancouver.
17Sur de nombreux dallages l’abrasion glaciaire n’a pas été complète. Au cours de certaines glaciations la glace n’était capable que de décaper le sommet d’un ou de deux lits calcaires. Les bases des fentes des lapiés qui s’enfoncent le long des diaclases et joints principaux vers les lits inférieurs, ont eu tendance à être préservées. Ainsi, après le retrait des glaces, ont-elles pu guider le développement d’une nouvelle génération de lapiés, ou bien elles ont été rendues inactives par le colmatage de débris protecteurs. Un exemple de fente rendue inactive, pris dans l’Escarpement du Niagara, est illustré par la figure 3a.
B. L’érosion glaciaire (“glacial dissection”)
18L’érosion glaciaire des aquifères karstiques peut se produire car, contrairement aux rivières, les glaciers qui envahissent un karst évolué ne peuvent pas pénétrer dans les conduits souterrains. La dissection glaciaire a été très importante dans de nombreuses zones alpines y compris celle du Kalkstein en Autriche et certains secteurs des Pyrénées. Au Canada elle est fréquente dans les Montagnes Rocheuses. Le meilleur exemple étudié dans cette région se situe sur le “Continental Divide” vers le col de Crowsnest, dans le sud de la Colombie Britannique et de l’Alberta. Les couches y forment une cuesta calcaire à pendage occidental. Il y a une formation schisto-argileuse centrale qui est généralement imperméable, partageant les calcaires en deux aquifères distincts, l’un au-dessus de la formation et l’autre au-dessous (fig. 4). Des tronçons de cavités phréatiques (sub-aquifères) sont dispersées dans la roche jusqu’aux sommets les plus hauts, dont l’âge est certainement de plusieurs millions d’années (FORD et al., 1981).
19De tout cela il apparaît que le drainage primitif dans la cuesta était entièrement karstique et relativement simple étant dirigé vers le col conformément à la direction géologique (fig. 4a). Depuis, la cuesta a été burinée par les cirques glaciaires le long de l’escarpement et incisée par les têtes des auges glaciaires sur son revers. Une des conséquences est que l’écoulement actuel apparaît comme un mélange d’éléments locaux superficiels et karstiques (fig. 4b). L’écoulement karstique guidé par la structure n’est préservé que dans le col ; du côté nord l’eau ressort par le biais d’une petite source, localisée à 12 m au-dessus du Lac Crowsnest, qui est directement visible de l’autoroute ; du côté sud, qui comprend une brèche du “Continental Divide” proprement dit, l’eau se perd en Colombie Britannique pour réapparaître en Alberta. Au-delà du col, quelques cours d’eau subsistent en surface, d’autres se perdent conformément au pendage vers l’ouest ou à contre-pendage vers l’est, tandis que d’autres encore sont capturés sous terre pour passer d’un cirque à l’autre, la situation locale variant en fonction des fantaisies de l’encaissement glaciaire, lui-même étant en relation avec les cavités karstiques qui ont été établies sous la glace ou pendant les épisodes interglaciaires.

Figure 4 : Représentation schématique de l’érosion et de la dissection glaciaires d’un karst et d’un aquifère préglaciaires au col Crowsnest (Alberta, Colombie Britannique).
Schematic representation of alpine glacial dissection of preglacial karst aquifers at Crowsnest Pass, Alberta/BritishColumbia.
(A) Le drainage souterrain préglaciaire est orienté vers le col, avec des systèmes séparés par une couche étanche. 1. Axe de drainage souterrain. 2. Perte. 3. Source. 4. Pendage. 5. Synclinal, anticlinal.
The preglacial groundwater drainage. This is strike oriented towards the Pass, with separate flow systems above and below an aquiclude stratum.
(B) Version simplifiée du drainage actuel. Le recoupement du cirque et de l’auge glaciaires a détruit la plupart des systèmes karstiques anciens, en les replaçant par rapport à la topographie et aux réseaux souterrains. 1. Tronçon de paléo-cavité. 2. Brèche dans la couche étanche séparant les aquifères.
A simplified version of the modem drainage patterns, where glacial cirque and trough cutting has destroyed most of the earlier karst systems, replacing them with local surface or underground networks.
C. Le remplissage (“infilling”)
20Le remplissage définit le colmatage des formes karstiques “d’absorption” ou de “production d’énergie” par les débris glaciaires ou proglaciaires. Les glaciers peuvent produire une grande quantité de débris rocheux. Juste au sud de la ville de Saskatoon, dans le Saskatchewan, des dépressions modelées dans le soubassement rocheux, de grandes dimensions (12 x 25 km), ont été entièrement comblées par de la moraine et des dépôts de lac glaciaire si bien qu’elles n’apparaissent plus dans la topographie (CHRISTIANSEN, 1967, et fig. 5). On peut supposer que des milliers de dépressions karstiques plus petites (à l’échelle d’une doline) ont été colmatées de cette façon et ont disparu au Canada, d’un point de vue topographique.
21Le colmatage et l’enterrement ne signifient pas forcément qu’une doline soit incapable de jouer un rôle hydrologique après le retrait des glaces. Si le remplissage est perméable et s’il y a suffisamment de gradient hydraulique entre le point d’absorption et la source, l’eau peut traverser celui-ci pour rejoindre l’aquifère. Avec le temps la doline peut être excavée à nouveau, partiellement ou en totalité. L’exemple célèbre au Canada est celui du système karstique de la rivière Maligne dans les Montagnes Rocheuses, près de Jasper, en Alberta. Après avoir drainé 900 km2 de montagne, de forêt et de glaciers, la rivière disparaît dans un étroit bassin qui est inondé de façon saisonnière, et que l’on appelle le “Medicine Lake”. Les essais pour boucher artificiellement la perte du fond du lac (afin de conserver les possibilités de pêche) ont toujours échoué. L’eau ressort à 16 km de distance, 400 m plus bas, par une source située au fond du Canyon de la Maligne, une forme postglaciaire. Le temps de passage (entre la perte et la source) doit être un peu inférieur à 12 h (BROWN, 1972 ; SMART, 1988). Le bassin actuel du “Medicine Lake” mesure 6 km de longueur et 0,8 à 1,5 km de largeur. J’interprète celui-ci comme un recreusement incomplet d’un vaste poljé karstique qui a été colmaté au cours de la dernière glaciation et peut-être au cours des glaciations plus anciennes. Pendant la période postglaciaire au moins 1,8 x 108 m3 de débris glaciaires ont été enlevés du poljé et enfouis dans l’aquifère. Cependant celui-ci continue à acheminer l’eau souterraine avec rapidité ; il doit avoir une énorme capacité.
D. L’injection
22L’injection n’implique pas simplement les formes “d’absorption” ou “de production d’énergie”, mais aussi l’insertion profonde de matériel détritique dans l’aquifère proprement dit. Ce n’est pas si facile à faire, mais de nombreux exemples ont été observés au Canada. Les courants de transport peuvent être supra-glaciaires ou intra-glaciaires quant à leur localisation, mais dans la majorité des cas étudiés, ils semblent avoir été sous-glaciaires ou proglaciaires.
23Les exemples les plus significatifs d’injection se trouvent à la Grotte de Castleguard, dans le Parc National de Banff, dans l’Alberta. Cette grotte, la plus longue et la plus belle connue au Canada, a ses entrées de conduits souterrains situées sous 200 m ou plus, de glace sous la calotte glaciaire de Columbia (cf. FORD [ed.], 1983). Sept de ces passages sont scellés par la glace du glacier proprement dit. Cette action est comparable au colmatage par une pâte dentaire. Il est probable que les bouchons ne sont pas très importants (quelques mètres seulement), mais ils sont imperméables tant à l’eau qu’à l’air. La Grotte de Castleguard permet la pénétration spéléologique la plus profonde actuellement connue sous un glacier. Ces bouchons de glace sont uniques.
24Les Grottes de Nakimu dans les Monts Selkirk, en Colombie Britannique, fournissent d’excellents exemples des types d’injection les plus courants. Leurs conduits en forme de labyrinthe ont été remplis jusqu’à une profondeur de 120 m pendant l’avancée du dernier glacier. Le remplissage est un modèle de faciès d’injection. A la base il y a un dépôt chaotique ou de banc éboulé de telle sorte qu’il a été décrit comme étant un des grands eskers sous-glaciaires de l’Ontario (SAUNDERSON, 1977). Ce dépôt est suivi par des graviers et des sables plus ou moins triés s’achevant au sommet par une couche de 12 m de varves argileuses. Ces dernières sont interprétées comme représentatives de conditions glaciaires bien établies, lorsque l’aquifère karstique était subordonné à l’écoulement en eau dans un glacier “tempéré” profond, et c’est pourquoi il était dans une condition semi-statique (FORD, 1979). La plupart de ce colmatage détritique a été emporté à nouveau au cours du dernier glaciaire et des premières périodes postglaciaires. Les pressions et les vitesses de l’eau atteintes par endroits furent à ces moments-là si grandes (mises en évidence par les grandes fentes erratiques situées en profondeur dans la grotte) que les actions hydrodynamiques peuvent être comparées seulement à un effet de chasse d’eau géant, le glacier étant le grand fournisseur. Il apparaît, en conséquence, que les injections dans les aquifères montagneux ne peuvent que rarement provoquer des obstructions totales et permanentes car l’énergie disponible pour déblayer ces dernières est trop grande.

Figure 5 : Carte montrant la répartition des lacs, rivières, sources connues et axes de drainage souterrain dans la région calcaire et dolomitique située entre Bonne Bay, Big Pond et Goose Arm (Terre-Neuve).
Ce système de surface, très désorganisé, et le drainage souterrain entre les grandes dépressions seraient dus à l'injection de débris glaciaires au Wisconsinien dans un karst antérieur bien développé.
1. Lac drainé entièrement par voie souterraine. 2. Lac drainé par voie souterraine, avec drainage superficiel saisonnier. 3. Dépressions fermées. 4. Perte. 5. Source. 6. Ecoulements souterrains prouvés.
Map depicting lakes, rivers, known springs and groundwater flow routes in the limestone and dolomite region between Bonne Bay Big Pond and Goose Arm, Newfoundland. This very disorganised pattern of surface and underground drainage between large depressions is believed due to Wisconsin an glacial injection of detritus into a previously wellordered, mature karst.
25Une des régions karstiques les plus caractéristiques du Canada se situe entre “Goose Arm”, “Penguin Arm” et “Bonne Bay Big Pond” dans l’ouest de Terre Neuve. Elle se développe dans des dolomies et des calcaires plissés et faillés, sous forme de terrain accidenté avec des reliefs de 50 à 350 m qui sont dominés par une haute klippe de roches granitiques. Elle comprend plus d’une quarantaine de grandes dépressions fermées qui ont été modifiées par l’abrasion glaciaire et/ou le dépôt de moraine. La plupart des dépressions contiennent des lacs. Certains de ceux-ci sont drainés en toute saison, entièrement par des conduits souterrains ; quelques-uns le sont par des chenaux de surface tandis que d’autres encore sont à la fois drainés par des conduits souterrains, mais aussi, saisonnièrement, par des chenaux de surface (fig. 6). Il n’y a pas de réseau géographique logique pour ces divers lacs. La chimie de l’eau karstique et les températures de l’eau de source sont également inhabituels (KAROLYI, 1978). Le véritable caractère original, cependant, est que le drainage souterrain actuel est de petite échelle, primitif et très jeune, et hautement désorganisé. Il y a presque autant de sources que de dolines. Toutefois, les grandes dimensions des dolines (supérieures à 500 m dans de nombreux cas) voudraient qu’il y ait (dans un karst de type classique) un aquifère bien intégré comportant de grands conduits rassemblant les eaux vers quelques sources régionales seulement.

Figure 6 : Les formes d’effondrement du karst de “Saskatoon Low” (d’après les figures de CHRISTIANSEN, 1967).
L’élement majeur est constitué par un effondrement de 70 m dans les moraines du Wisconsinien supérieur. Celui-ci est rempli par des sédiments lacustres proglaciaires. D’anciens effondrements sont indiqués par des pointillés. On pense qu’ils sont également quaternaires et engendrés par une dissolution profonde des bancs de sels.
The “Saskatoon Low” karst collapse features (adapted from figures in CHRISTIANSEN, 1967).
The shaded feature is a collapse of 70 metres in Late Wisconsinan glacial tills. It is infilled by proglacial lake sediments. Older collapses are indicated by broken closed contours. They are also believed to be of Quaternary age and created by deep interstratal dissolution of salt beds.
26Les terrains granitiques environnants fournissent au karst beaucoup de moraine riche en argile. Celle-ci recouvre dépressions et interfluves. Nous pensons que cette injection sous-glaciaire d’argile a complètement obstrué un aquifère antérieur, provoquant une inondation partielle des dolines et le développement du mélange actuel de drains tantôt superficiels tantôt souterrains (KAROLY et FORD, 1983).
E. L’effet protecteur ou “shielding”
27Le regain d’attaque par dissolution sur le soubassement rocheux, qui a suivi le retrait du glacier, peut avoir été inhibé si la roche a été recouverte par une couverture détritique contenant des fragments solubles. Ces fragments ont pu contenir l’attaque en neutralisant l’eau avant qu’elle puisse rejoindre le soubassement. Cet effet protecteur porte le nom de “shielding” (tableau 1). Il est très important, notamment dans les bas-pays du Canada. En Ontario et au Québec, on constate que 1 à 2 m de moraine perméable ou d’épandage fluvio-glaciaire avec des clastes locaux, ont été souvent suffisants pour protéger complètement la dolomie ou les calcaires sous-jacents pendant les 11 000 à 14 000 ans qui ont suivi la déglaciation. Si l’on dénude à la bêche la roche, celle-ci exhibe une surface primitive polie avec des stries glaciaires (fig. 3a) ; si on la laisse ainsi elle se dégrade en un peu moins de cinq années. L’île d’Anticosti (Québec) recèle de nombreux et admirables karsts postglaciaires car sa couverture détritique a été emportée par les premières transgressions marines postglaciaires. De grandes étendues de l’île n’ont pas de cours d’eau superficiels ni de mares car l’eau passe directement dans les champs de lapiés (“Karrenfeld” = holokarst). Mais il y par endroits des tâches de marnes (riches en argiles carbonatées). Là où elles n’ont pas plus de 25 cm d’épaisseur, ces dernières peuvent jouer le même rôle que le “shielding”. Des chapelets de marécages s’y développent (ROBERGE, 1979).
28A Windsor, en Nouvelle Ecosse, les derniers glaciers ont nivelé un karst à pinacles du gypse laissant une surface ondulée et abrasée, échancrée par les fonds des dolines. Cette surface est datée d'environ 12 000 ans et bien que développée dans une roche tendre et très soluble, elle a été remarquablement préservée, protégée par 4 à 6 m de moraine riche en argile et contenant des clastes de gypse. On peut la voir autour des rebords des blocs de gypse. A quelques centaines de mètres les chenaux de marée ont emporté la moraine et un nouveau karst à pinacles serrés s’est développé au cours de la période postglaciaire.
F. Le plombage ou “sealing”
29Les impacts destructeurs ou d’inhibition des glaciers sur le karst ont été mis en valeur dans les considérations ci-dessus car ils semblent avoir été très importants au Canada. Toutefois, beaucoup de terrains sous couverture de glaces en mouvement n’ont subi qu’une faible érosion glaciaire lorsque le glacier fondait au niveau de sa base (cf. SUGDEN, 1977, 1978 pour l’argumentation détaillée sur les zones d’érosion ou de protection glaciaire sous la calotte glaciaire des Laurentides au Canada). La conséquence est que ces terrains, sous une couverture de débris glaciaires mise en place par la fonte à mesure que le glacier reculait, ont été capables de conserver parfaitement des morphologies karstiques aussi fragiles que des lapiés. C’est cela l’effet de plombage (“sealing effect “).
30Le principal exemple se situe sous la ville de Winnipeg, au Manitoba, et dans ses environs. Il s’agit d’un dallage à lapiés de fissures développé dans les dolomies qui couvre peut-être 3 500 km2 (FORD, 1983). C’est le plus grand karst à dallage que je connaisse. Les derniers glaciers ont bien éventré quelques secteurs, mais l’essentiel a été préservé sous une couverture morainique de fonte qui est à son tour recouverte par les argiles du lac glaciaire d’Agassiz (fig. 3b). La moraine est injectée en partie dans le dallage, sur un mètre environ, mais elle ne pénètre pas plus profondément. L’eau souterraine pénètre dans le dallage à partir des terrains les plus élevés du pourtour de la ville et les argiles de T Agassiz scellent le tout. Le résultat est que le dallage a constitué un excellent aquifère. Il a approvisionné Winnipeg jusqu’à la première Guerre Mondiale quand, en raison de circonstances d’urgence, l’aquifère a été surexploité et contaminé par des eaux salées plus profondes (RENDERS, 1970). Aujourd’hui, il continue à fournir les communautés suburbaines.
G. Les effets stimulants : concentration de courants (“focussing streams”) et augmentation de la charge hydraulique (“raising hydraulic head”)
31Le dernier ensemble d’effets permet d’admettre que l’action glaciaire peut stimuler la karstification, notamment au cours du retrait généralisé du glacier lorsque d’énormes quantités de glace, représentant des milliers d’années d’accumulation glaciaire, sont restituées en quelques années sous forme d’eau de fonte. En quelques dizaines ou centaines d’années de grands courants de fonte peuvent ainsi être dirigés vers des sites karstiques potentiels, soit à la semelle du glacier, soit sur ses marges, et par endroits les aquifères intégrés du glacier peuvent être surimposés aux aquifères karstiques du soubassement.
32Ces processus de concentration de courants (“focussing streams”) et d’augmentation de la charge hydraulique (“raising hydraulic head”) sont les plus efficaces dans les terrains accidentés montagnards (Alpes, Montagnes Rocheuses). Il est sans doute vrai d’écrire que pour les roches carbonatées, les taux globaux les plus rapides de développement des formes karstiques et des cavités à petite et moyenne échelle doivent se produire dans ces circonstances.
33La preuve de cette concentration de courants est la presque généralisation des dolines résiduelles, des avens ou des entrées de grottes localisées en des lieux devenus peu propices du point de vue hydrologique, une fois la glace retirée. Les exemples comprennent des avens ouverts sur des crêtes de roches moutonnées (où ils ont été perçés de façon évidente par des phénomènes de marmitage liés aux courants sous-glaciaires) et alignés le longs des flancs externes des moraines de récession. Les plus spectaculaires sont les points d’absorption, ou dans l’ensemble, les petits systèmes karstiques souterrains (perte, galerie et source) qui apparaissent dans le haut des versants des grandes vallées. De façon évidente les courants de fonte des marges du glacier ont pénétré dans la roche pendant un temps avant de retrouver la glace.
34La surimposition d’un aquifère glaciaire sur un aquifère karstique peut engendrer un mécanisme puissant. Celui-ci opère de façon la plus efficace dans les dépressions glaciaires surcreusées des montagnes ; dans les Rocheuses canadiennes, il y a quelques centaines de cirques surcreusés qui aujourd’hui drainent l’eau de façon souterraine à travers leurs planchers. Un exemple extrême de surimposition peut être trouvé dans le “Columbia icefield” où un petit lac a été modelé dans une dépression ; celle-ci était entièrement dans la glace jusqu’à ce qu’elle soit vidée de façon brutale par la base (MUIR & FORD, 1985, planche 8). Il semble qu’elle soit évacuée par l’aquifère karstique sous-jacent de Castelguard. On peut caractériser ce phénomène comme un “jokulhaup karstique” (vidange brutale de lac glaciaire après rupture de digue naturelle).
H L’abaissement des lignes de sources
35La karstification est également stimulée lorsque les glaciers creusent les grandes vallées à cause de l’augmentation du gradient hydraulique entre la perte et la source ce qui aboutit à abaisser la ligne de sortie des sources. Dans les Montagnes Rocheuses on observe que de nombreux petits systèmes karstiques sont incapables de suivre cet abaissement relativement rapide car leurs sources sont “suspendues” sur les versants abrupts à quelques dizaines de mètres au-dessus du plancher, bien qu’il n’y ait pas de plancher imperméable pour les maintenir à cette hauteur (fig. 7).
36L’encaissement glaciaire est aussi responsable de la naissance de nombreux petits systèmes de cavités dans le bas-pays canadien car il provoque de multiples escarpements locaux. Lorsque les lits des rivières postglaciaires sont bien établis et traversent les abrupts, ou coulent parallèlement à eux, ou encore au-dessus, il est fréquent de constater qu’une partie ou la totalité de l’eau est capturée par des conduits souterrains qui courtcircuitent les chenaux. Les Grottes de Bonnechere dans l’Ontario (ma première étude de karstologie au Canada ; FORD, 1962) sont un excellent exemple où trois galeries successives se sont développées à partir d’une petite gorge, en détournant les eaux progressivement, vers des points de sorties situés plus bas : aucune galerie ne dépasse 150 m de longueur. Wodehouse Creek, en Ontario (COWELL & FORD, 1975) est sur le point de connaître une capture parallèle dans les dolomies, le long du versant d’une gran de auge glagiaire. BEAUPRE et CARON (1986) décrivent de nombreux exemples similaires à propos du karst du Québec.

Figure 7 : (à gauche) “Big Springs” dans la vallée de Castleguard (Parc national de Banff, Alberta). L’eau émerge à 40 m au-dessus du fond alluvionnaire visible au premier plan. C’est un exemple de source karstique perchée à cause du creusement glaciaire. Des sources beaucoup plus petites commencent à couler à travers les graviers du plancher de la vallée (future capture de “Big Springs”).
“Big Spring" in the Castleguard valley, Banff National Park, Alberta. This spring emerges 40 m above aggraded valley floor seen in the foreground. It is an example of a spring left hanging by glacial entrenchment. Very much smaller springs are beginning to rise through the gravels in the floor and will capture the Big Springs in due course.
I. Réajustement isostasique avec flexure crustale et injection d’eaux en profondeur ?
37Le dernier effet particulier de l’action glaciaire sur les roches et les systèmes karstiques que je connaisse est plus aléatoire que ceux évoqués ci-dessus. Il s’agit de l’hypothèse selon laquelle, à grande échelle de temps, le retrait glaciaire et le réajustement continental isostasique consécutif peuvent favoriser l’injection d’une partie des abondantes eaux de fonte jusqu’à des profondeurs de 1000 m et plus. L’injection est associée à une flexure crustale qui peut se produire au cours du réajustement. Il s’agit essentiellement d’un mécanisme d’injection ancien ou très lent, qui se produit peut être une fois par cycle d’avancée et de retrait du glacier des Laurentides. Il fournit quantité d’eau aux couches karstiques profondément ensevelies, ce qui implique des périodes de dissolution interstrate.
38L’indice le plus important est que certaines structures d’effondrement du soubassement ont été engendrées ou bien rajeunies lors du retrait glaciaire. Dans la plupart des cas les effondrements sont provoqués par la dissolution du sel ou de l'anhydrite qui subsistent au sommet des calcaires ou des dolomies et sont recouverts par d’autres roches comprenant des argiles et des schistes argileux qui sont normalement imperméables à moins d’être soumis à des contraintes telles que le plissement. L’eau souterraine rejoint le sel, via le calcaire épais mais perméable, et le dissout ainsi et le modèle à partir du bas, déclenchant un affaissement ou un effondrement des roches sous-jacentes. Les plus grands exemples connus se trouvent dans le Saskatchewan méridional parce que le toit de la formation salifère (fig. 2) y a été intensément exploité pour ses phosphates. En premier lieu se trouve le lac de Howe (CHRISTIANSEN, 1971). Il s’agit d’une dépression où les dépôts morainiques du Wisconsin montrent une fracturation de type cylindrique descendant jusqu’à 78 m. L’effondrement s’est produit aussitôt après le retrait du glacier. La dépression a été remplie lentement par des apports pédologiques locaux, des poussières éoliennes, etc, au cours de l’Holocène et maintenant elle n’est profonde que de 10 m malgré son diamètre de 100 m.
39Le “Saskatoon Low” (fig. 6) est une forme géologique beaucoup plus grande, mais sans expression topographique actuelle. A partir des données et les analyses de CHRISTIANSEN (1967), des schistes argileux crétacés ou plus anciens se sont écroulés sur une épaisseur d’au moins 190 m à la suite d’un ou de plusieurs effondrements anciens, créant ainsi une vaste dépression mesurant 25 x 40 km, ainsi que trois autres sur ses flancs. CHRISTIANSEN considère que ces effondrements ont pu se produire au Tertiaire, mais il n’y a pas de mécanisme hydrologique exceptionnel pour les provoquer et aucune preuve pour infirmer que leur âge ne corresponde pas au Quaternaire glaciaire. J’incline à penser qu’il s’agit de morphologies quaternaires. L’effondrement le plus récent est largement contenu dans la dépression plus ancienne et s’est produit précisément à la fin de la dernière glaciation (Wisconsin). Des dépôts morainiques de cet âge sont descendus de 70 m très rapidement ; pendant le millénaire suivant, de façon approximative, la nouvelle dépression a été entièrement comblée de sédiments lacustres proglaciaires. L’effondrement s’est propagé vers le haut à partir du sel, avec un plancher reposant sur des dolomies 1100 m au-dessous des prairies de la surface actuelle.
40Une preuve du rajeunissement d’un paléokarst d’âge dévonien (le karst était inhibé par le colmatage ou l’ensevelissement), est donnée par le district minier (plomb/zinc) de “Pine Point”, au sud du Grand Lac des Esclaves. Les minerais remplissent des paléocavités et des dolines d’effondrement développées dans des calcaires récifaux (RHODES & al., 1984). Certaines dolines fournissent de véritables carottes de moraine quaternaire (ou une séquence de dépôts morainiques) qui passent par les centres de leurs anciens remplissages bréchiques ou de sulfure, montrant qu'il y a eu un renouvellement d’une vigoureuse circulation d’eau souterraine accompagnée par un enlèvement du remplissage dévonien puis remplacement par la moraine. Les gradients hydrauliques actuels sont trop faibles pour générer une telle circulation, aussi doit-on supposer que celle-ci s’est produite au cours des périodes de retrait glaciaire.
41Ce dernier effet met en valeur, peut-être plus que les autres, les problèmes rencontrés en karstologie dans les milieux soumis à la glaciation. Tant dans le sel du Saskatchewan que dans les dolomies anciennes de “Pine Point”, les paléo-modelés, qui ont été inactivés pendant plus de 250 millions d’années, ont été sujets à une vigoureuse érosion glacio-karstique, et ce bien qu’ils soient couverts des épaisseurs substantielles de roches insolubles.
CONCLUSIONS
42Les effets de l’action glaciaire sur les systèmes karstiques, qui sont très étendus au Canada, peuvent être extrêmement variés. En fait, ils semblent couvrir la gamme des possibilités. A une extrémité, il y a destruction complète des dallages dolomitiques pré-wisconsiniens sur la plupart de la Péninsule de Bruce en Ontario ; de l’autre, il y a, comme sous la ville de Winnnipeg, une conservation presque totale du même type de karst.
43Par ailleurs (au cours de l’Holocène), il y a une impossibilité de dissolution sur de grandes étendues de calcaires et dolomies car celles-ci sont protégées par des dépôts glaciaires riches en calcaire, ce que l’on doit opposer à la genèse extrêmement rapide de dolines et de cavités se produisant sur les marges des glaciers qui fondent. Dans les gypses les plus solubles, des zones d’immunité totale ou d’évolution karstique accélérée peuvent coexister à quelques dizaines de mètres les unes des autres, en fonction des dispositions irrégulières des dépôts morainiques et de leurs remaniements postglaciaires.
44Ces effets doivent limiter la signification de nos mesures actuelles quant aux processus karstiques des terrains englacés. L’apparente efficacité ou vigueur des processus actuels peuvent être due à l’action glaciaire précédente. Par exemple, certaines des plus hautes concentrations (en équilibre thermodynamique) en ions de Ca, Mg et CO3 dissous toujours enregistrées dans des eaux bicarbonatées doivent se trouver dans les karsts canadiens, même dans les dolomies les moins solubles. Malgré tout, de façon surprenante, ces eaux particulières n’engendrent absolument pas de nouveaux modelés karstiques ; elles acquièrent leurs éléments dissous entièrement à partir des fragments clastiques de la couche protectrice riche en éléments morainiques carbonatés car le gaz carbonique, l’eau et la roche peuvent interagir de façon simultanée dans une réaction à trois des plus efficace (“ideal open system” de FORD & WILLIAMS, 1989, chap. 3). On peut mesurer les processus actuels qui continuent d’agir sur les sites karstiques postglaciaires tels que de nombreux dallages, mais les résultats ne doivent pas être étendus à d’autres dallages jusqu’à ce qu’il soit établi que ces derniers soient réellement postglaciaires, par exemple il faut s’assurer qu’ils n’ont pas conservé certaines fentes de lapiés (Kluftkarren) antérieures à l’abrasion glaciaire. Très souvent il n’est pas possible d’éliminer la possibilité d’un tel héritage.
45Les travaux du Professeur NICOD ont mis en valeur la grande variété et répartition géographique des modelés karstiques dans les régions alpines et méditerranéennes. Il a associé cette variété aux différences de constitution géologique et topographique, aux différences d’érosion régionale avec le temps, et enfin aux subtiles variations des paramètres climatiques actuels. Je ne trouve pas que les variations entre des régions climatiques voisines soient aussi significatives que le pensent bien d’autres karstologues européens ou asiatiques ; mais je soutiens fortement la mise en exergue de la grande variété (et par-delà, de la grande richesse) du karst et j’espère que cet article sur nos régions englacées du Canada en aura montré les raisons au lecteur.
Tableau 1 : Effets de l’action glaciaire sur les systèmes karstiques. Effects of glacier action upon karst systems)
* Destructrice, perturbatrice (Destructive, deranging) :
1. Abrasion de lapiés et de pinacles résiduels, de hums, etc.
2. Erosion de systèmes entiers de conduits.
3. Remplissage de dolines et de morphologies d’absorption d’énergie plus grandes ; colmatage de sourcesÈ.
4. Injection de débris clastiques dans les systèmes de galeries.
1. Erasure... of karren and residual pinnacles, hums, etc.
2. Dissection... of integrated systems of conduits
3. Infilling... of dolines and larger input features; aggradation of springs
4. Injection... of clastic detritus into cave systems
* D’inhibition (Inhibitive) :
5. Protection carbonatée, ou par une couverture riche en produits sulfatés, vis-à-vis de la dissolution postglaciaire.
5. Shielding carbonate, or sulphate-rich drift protects bedrock surfaces from postglacial solution.
* De préservation (Preservative) :
6. Plombage par des dépôts riches en argile et des aquifères épikarstiques captifs.
6. Sealing... clay-rich deposits seal and confine epikarst aquifers.
* Stimulatrice (Stimulative) :
7. Concentration de flux d’énergie, augmentation de la pression hydraulique avec surimposition de courants glaciaires ou d’aquifères.
8. Abaissement des lignes de source par encaissement des vallées glaciaires.
9. Injection en profondeur d’eaux de fonte et souterraines lorsque les soubassements sont plissés au cours du réajustement isostasique.
7. Focussing inputs, raising hydraulic head... with surimposed glacial stream or aquifers
8. Lowering spring elevation... by glacial entrenchment.
9. Deep injection... of glacial meltwaters/groundwater when bedrocks are being flexed during crustal rebound or depression.
Bibliographie
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Auteur
-
Derek Ford
Department of Geography, Mac Master University Hamilton, Ontario L8S 4K1 (Canada)
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