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Karsts et évolutions climatiques

 | 
Jean-Noël Salomon
, 
Richard Maire

Spéléologie et Karstologie

Corrosion par mélange des eaux dans les grottes de la plaine de Nullarbor, Australie

Julia M. James
Traduction de Jean-Noël Salomon

Résumé

Les théories sur la genèse des grottes de Nullarbor sont passées en revue. Un choix de résultats de travaux récents sur la chimie des grottes de Nullarbor et de leurs eaux est présenté. Sous la plaine de Nullarbor, dans les grottes et dans la masse rocheuse, trois zones de mélange d’eaux ont été identifiées. Deux d’entre-elles sont très caractéristiques, par contre il est difficile d’obtenir des données pour la troisième et des hypothèses doivent être avancées quant à la composition des eaux de mélange. La zone de mélange (1) se produit à l’interface ruissellement/eau phréatique saumâtre ou salée des lacs souterrains. La zone de mélange (2) se situe dans le soubassement poreux à l’interface eau vadose/eau phréatique. La zone de mélange (3) se produit à une profondeur halocline dans les lacs souterrains et les passages noyés. A l’interface de la zone (3) se produit une précipitation de calcite et le concrétionnement de spéléothèmes subaquatiques par “cristallisation de mélange” (“mixing crystallisation”) est observé pour la première fois. La zone de mélange (1) possède les plus grandes aptitudes à dissoudre le calcaire. On pense que le mélange dans la zone (2), à l’interface eau vadose/eau phréatique, est le processus dominant pour la dissolution du calcaire sous la Plaine de Nullarbor. L’hypothèse selon laquelle la corrosion par mélange (“mixing corrosion”) a joué un rôle important pour le développement des cavités est admise et on en déduit que le processus a été actif tout au long de l’histoire de la formation des grottes sous la Plaine de Nullarbor.

Theories on the genesis of the Nullarbor caves are reviewed. Selected results of recent surveys of the chemistry of the Nullarbor caves and related waters are presented. Three mixing zones have been identified in the caves and the rock mass beneath the Nullarbor plain. Two of these are fully characterised, however the third is difficult to obtain data for and suppositions have to made as to the composition of the mixing waters. Mixing zone (1) occurs at the runoff/phreatic brackish or saline water interface of the cave lakes. Mixing zone (2) is in the porous bedrock at the vadose/phreatic interface. Mixing zone (3) occurs at a halocline deep in the cave lakes and flooded passages. At the mixing zone 3 interface calcite precipitation takes place and the deposition of subaqueous speleothems by “mixing crystallisation” is recorded for the first time. Mixing zone (1) has the greatest potential to dissolve limestone. Mixing in zone (2) at the vadose/phreatic interface is believed to be the dominant process causing solution of limestone beneath the Nullarbor Plain. The hypotesis that “mixing corrosion” has played an important role in the development of the caves is endorsed and it is deduced that the process will have been active throughout the history of cave development beneath the Nullarbor Plain.

Entrées d'index

Géographique :

Australie, Nullarbor

Texte intégral

L'auteur tient à remercier les nombreux spéléologues et spéléonautes pour le prélèvement des échantillons d’eau, les observations géomorphologiques et les photographies. Il adresse sa gratitude aux propriétaires pour leurs autorisations d’accès aux grottes en particulier R. Egglington du site de Mundrabilla et P. Brown du site d’Arrubiddy. Il remercie enfin le South Australian Parks et le Wildlife Service ainsi que le West Australian Department of Conservation and Land Management.

INTRODUCTION

1La Plaine de Nullarbor se situe dans le sud du continent australien (fig. 1). Il s’agit du plus grand karst semi-aride à aride du monde avec une étendue de plus de 200 000 km2. La pauvreté en eau et en dioxyde de carbone d’origine biologique conduit à la probabilité théorique d’un karst très peu développé. La surface du karst conforte cette idée car il n’y a eu qu’un faible abaissement de celle-ci depuis l’émersion de la plate-forme au Miocène moyen ; elle présente une carence en formes karstiques, tant pour la diversité que pour le nombre, par rapport aux régions à précipitations plus abondantes.

  • 1 Trou souffleur : trou développé dans le sol par lequel l’air entre, ou sort, avec force. Les change (...)

2L’histoire du monde souterrain est différente ; JENNINGS (1983) a fait savoir que, par comparaison avec sa surface, cette région est pauvre en grottes. Toutefois, JENNINGS a écrit cela sans avoir eu connaissance des apports des forages récents, des avancées spéléologiques réalisées dans la dernière décennie et des analyses d’eau consécutives. Il avait connaissance par contre des 10 000 à 100 000 trous souffleurs1qui affectent la région du Plateau de Bunda dans la Plaine de Nullarbor (LOWRY, 1968). Toutes les données montrent maintenant de façon nette qu'il existe de vastes cavités sous la plaine ; en fait, la région de Nullarbor ne manque pas de cavités, mais d’entrées pour que les spéléologues puissent y accéder.

3L’emplacement des grottes de Nullarbor dont on parle dans cet article est indiqué sur la figure 1 et l’on peut trouver les descriptions des cavités dans MATHEWS (1985). Les grottes connues sont à la fois longues et vastes. Au préalable, en 1986, des spéléologues (MONTGOMERY, 1988) ont fait des découvertes spectaculaires dans la petite grotte d’Old Homestead. Une exploration ultérieure a permis de porter la reconnaissance à 23 km, ce qui en fait la grotte la plus longue d’Australie et les explorations se poursuivent encore. Jusque-là, la grotte d’Old Homestead est le seul réseau étendu pénétrable du nord de Nullarbor et c’est pourquoi il est très important pour le débat théorique sur la genèse des grottes de Nullarbor. La grotte illustre parfaitement l’hypothèse selon laquelle beaucoup de cavités souterraines n’ont pas d’entrées pénétrables. Actuellement la seule façon de pénétrer se fait par le biais d’une doline d’effondrement du fond de laquelle partent deux conduits l’un vers le nord, l’autre vers le sud. En surface, au-dessus de la grotte, au moins 30 trous souffleurs ont été répertoriés qui ont une connection évidente avec le vide sous-jacent, mais ils sont trop étroits pour permettre le passage d’un homme. A l’intérieur de la grotte, il y a des preuves d’autres entrées par d’anciennes dolines d’effondrement, mais celles-ci sont aujourd’hui obturées par du matériel éolien venu de surface, ce qui indique que ces ouvertures, sur le Nullarbor, sont limitées dans le temps.

  • 2 Le “crystal weathering” est un processus de détachement de particules de tailles variées des surfac (...)

4Les entrées des grottes du Nullarbor sont souvent accidentelles, engendrées par le bas par le “crystal weathering”2qui fait “remonter” le plafond jusqu’à ce que se produise un effondrement faisant apparaître la surface. Le même processus mécanique est à l’origine de la plus grande salle d’Australie, la Grotte d’Abrakurrie avec 135 000 m3 (fig. 1). L’énorme doline d’effondrement à l’entrée de cette grotte joue le rôle d’un bassin d’alimentation. Des preuves des écoulements qui en résultent peuvent s’observer sur 2 à 3 m au-dessus de la paroi tandis que le plancher contient de vastes dépôts de débris liés au “crystal weathering” et à l’effondrement, recouverts par endroits par des limons. La grotte fait partie d’un alignement de dolines et de grottes comprenant Chowilla Landslip, Kutowalla Doline et Winbirra Cave, et les spéléologues ont concentré leurs explorations sur la recherche des tronçons manquants de ce qui a du être un énorme système. Au cours de l’une de ces expéditions, une petite dépression de surface a été observée, proche de la doline de Kutowalla, qui est rapidement mise en eau lors des violents orages. Après la fin de la pluie, l’agrandissement de la doline conduit à une grotte barrée par un colmatage de boue instable (KATES G. comm. personnelle). Il s’agit d’une autre preuve de l’existence éphémère de certaines entrées de grottes de Nullarbor et il est fort possible que ces accès puissent être tour à tour ouverts et fermés, et cela à plusieurs reprises.

5Les systèmes des grottes de Nullarbor qui sont le plus souvent entièrement envahies par de l’eau salée, fournissent de magnifiques grottes noyées. Cocklebiddy Cave possède le record mondial d’exploration en plongée avec 6,2 km. Les secteurs noyés se développent à partir des lacs de grotte à environ 90 m sous la surface du plateau. La photo 3 montre le lac de Weebubbie Cave. La grotte de Pannikin Plain a des passages noyés dont certains ont la taille d’Abrakurrie ; ces passages s’étendent sur 3 km recoupant sur leur passage deux grandes chambres dénoyées dont certains pensent qu’elles ont de forts taux de dioxyde de carbone. Dans la grotte de Tommy Grahams, dans une salle que l’on ne peut atteindre qu’en traversant des passages noyés, 4 % de dioxyde de carbone ont été mesurés. C’est la chimie des eaux de ces grottes qui nous amène de façon convaincante à penser que l’érosion chimique joue un rôle important aujourd’hui sous le plateau de Nullarbor.

I. LES THEORIES SPELEOGENETIQUES ANTERIEURES

6La genèse des grottes de Nullarbor a été longtemps soumise à discussion de la part des spéléologues. Il a toujours été difficile de concilier la taille impressionante des conduits avec le fait que le plateau qui les surmonte est aride ou subaride depuis qu’il a émergé de la mer il y a environ 10 à 15 millions d’années. LOWRY et JENNINGS (1974) supposaient que les plus grandes grottes de la région furent drainées lorsque l’agrandissement des orifices améliora la circulation et l’abaissement de la nappe phréatique. Les processus de l’agrandissement étaient l’haloclastie et l’extension des grottes dans les strates par effondrement.

7GRODZICKI (1985) n’accepta pas les théories de LOWRY et JENNINGS ; il fit appel à des périodes plus humides pour expliquer la création de ces grands conduits d’origine “phréatique” par une dissolution active en régime noyé, et il expliquait l’absence de morphologies karstiques de surfaces correspondantes par une érosion superficielle plus rapide que celle s’exerçant en profondeur. Toutes les données géomorphologiques disponibles montrent qu’il n’y a pas eu de période pluvieuse importante et que l’érosion de la surface du Nullarbor a été extrêmement faible depuis son émersion (BENBOW, 1990 ; BOWLER, 1976 ; LOWRY & JENNINGS, 1974).

Figure 1 : Carte de la plaine karstique de Nullarbor et localisation des principales cavités connues. 1) Isohyètes. 2) Evaporation potentielle. 3) Limite du karst de Nullarbor. 4) Tracé des principaux écoulements temporaires de surface. 5) Dunes. 6) Falaises vives et émergées, (d'après LOWRY & JENNINGS, 1974 ; données climatiques d’après Dpt. of Energy and resources, 1983).
Map of the Nullarbor karst and location of the principal caves.

8Aujourd’hui, l’érosion mécanique par haloclastie et effondrement prend place pour une part significative dans les grottes de Nullarbor, et LOWRY et JENNINGS (1974) ont observé que les débris issus de ces processus ont dû être transportés pour que les grandes galeries puissent se former. Ainsi, les processus chimiques qui s’exercent dans la masse poreuse de la roche et à l’intérieur des grottes noyées sont du plus grand intérêt car non seulement ils ont engendré les cavités initiales, mais ils auraient aussi été actifs durant les processus mécaniques d’agrandissement consécutifs, et de déplacement des débris tombés.

9Les deux questions que l’on peut alors se poser sont les suivantes : la dissolution du calcaire s’exerce-t-elle de nos jours sous Nullarbor ? Et, si c’est le cas, quel est le taux de dissolution ? Bien que les eaux disponibles pour la dissolution du calcaire ne soient pas d’un volume important, nos analyses chimiques ont montré qu’elles sont extrêmement variées dans leur composition. Aussi, le mélange de ces eaux peut-il provoquer un nombre infini de solutions dont les compositions les rendent aptes à dissoudre le calcaire.

10En 1989, on a avancé que le processus de “mixing corrosion” (BOGLI, 1980) pouvait jouer un rôle important dans la genèse des grottes de Nullarbor (JAMES & al., 1989). JAMES & al. (1989) ont présenté une hypothèse sur la formation des plus grandes grottes fondée sur la corrosion par mélange des eaux. Bien que l’importance du “crystal weathering” dans la genèse de ces cavernes géantes ait été reconnue, la mise en valeur de l’érosion chimique des calcaires au niveau de l’interface eau pure/eau saline (HERMAN, 1983) a été sous-estimée. JAMES & al. (1989), à partir de quelques données, ont avancé l’hypothèse selon laquelle le mélange d’eaux “pures” et d’eaux salées engendrait suffisamment d’agressivité pour dissoudre le calcaire profondément sous la surface, au cours des périodes climatiques arides ou semi-arides. Au cours de ces dernières années, une étude approfondie de la chimie des eaux de Nullarbor Plain a été menée à bien (JAMES & al., 1992, en préparation). Comme les résultats de la première hypothèse était trop fruste, cet article présente une hypothèse plus élaborée.

II. PHYSIOGRAPHIE ET HYDROGEOLOGIE DE NULLARBOR

11Une description détaillée de la géologie et de la géomorphologie de Nullarbor se trouve dans LOWRY & JENNINGS (1974). Pour notre propos, il est nécessaire de souligner que les calcaires de Nullarbor sont le plus souvent très poreux et perméables et présentent des pendages horizontaux.

12- Le climat actuel : La Plaine de Nullarbor a un climat chaud semi-aride dans le sud tandis qu’au nord il s’agit d’un désert chaud. La figure 1 montre les courbes de précipitations et de l’évaporation potentielle (Département des Ressources et de l’Energie, 1983). Les précipitations sont aléatoires et il n’y a pas de lien saisonnier avec la croissance des plantes si bien que les données sont sporadiques. Les orages locaux peuvent être très violents avec des records d’intensité de l’ordre de 300 mm/heure ; ces évènements extrêmes peuvent engendrer d’importantes inondations locales. Les hivers sont courts et frais (voire froids) ; les températures montrent deux gammes, à la fois saisonnières et diurnes, résultat de la continentalité.

13- L’hydrologie : Les niveaux des eaux rencontrés lors des forages, dans les puits et dans les grottes du Nullarbor sont en conformité avec une surface lisse s’inclinant vers le sud, direction vers laquelle les eaux des grottes se dirigent lentement. L’aquifère n’est pas confiné, la nappe indiquant le haut de la zone phréatique ; il a des caractéristiques d’écoulement à la fois en conduits et de façon diffuse. Les quantités relatives d’écoulement diffus vers le conduit aquifère ne sont pas connues, mais les premières observations indiquent que l’écoulement diffus excède largement l’écoulement en conduit. Il n’y a pas de grandes sources sortant des falaises littorales et des dunes et on ne connaît pas de sources sous-marines dans le “Great Australian Bight”. Il y a un gradient dans la qualité de l’eau, les meilleures eaux se trouvant à l’intérieur des terres. Ces données soutiennent le concept d’une nappe phréatique karstique régionale dans cette région de bas relief, de faibles précipitations, dans des calcaires perméables et poreux et de structure simple (LOWRY & JENNINGS, 1974).

14- La chimie des eaux : L’étude chimique des eaux des grottes, ou d’autres eaux impliquées dans la spéléogenèse des Grottes de Nullarbor, a commencé en 1988. Les eaux ont été prélevées et analysées, jusqu’à ce que les données recueillies soient suffisamment étalonnées et complètes pour que des programmes informatiques puissent les utiliser pour calculer les paramètres d’équilibre du système. Les méthodes de collectes d’échantillons et d’analyses, une série complète d’analyses chimiques et les résultats des caractéristiques de l’eau et des calculs de mélange, seront ultérieurement publiés (JAMES & al., 1992, en préparation).

15Les résultats de l’étude chimique des eaux ont montré que, par moments, les eaux de certaines grottes sont stratifiées ; après une pluie intense, une lentille d’eau de ruissellement (“cream”) peut se trouver au-dessus des eaux lacustres saumâtres à salines (interface 1) et une interface eau saumâtre à saline/eau salée (interface 2) peut s’observer vers environ - 20 m dans les boyaux inondés des grottes. La figure 2 est un exemple de la stratification que l’on peut trouver dans les lacs de grotte et elle montre certaines des propriétés des différentes zones et interfaces. Le phénomène le plus remarquable est la clarté du corps principal de la masse d’eau et les plongeurs exploitent cette propriété pour parcourir cette zone lors de l’exploration des galeries ennoyées.

16La figure 3 résume la composition des principaux anions et cations des eaux des grottes prélevées rapidement du corps principal des eaux lacustres souterraines. La figure montre que les eaux des grottes de Nullarbor sont imprégnées de chlorure de sodium et que leur composition varie considérablement avec le lieu de prélèvement. Les sources sont étonnamment stables et ont très peu varié en quatre jours d’étude ; les analyses disponibles des chlorures indiquent qu’elles sont restées stables tout au long d’un demi-siècle.

Total dissous (en mg/1)

Visibilité

Matériaux

Composition des matériaux insolubles

SURFACE

Matière végétale flottant et substances huileuses

LE DESSUS
(“cream”)

1 000 à 2 000

très trouble

= 0,5 g/l

aluminosilicates (argiles) et matière organique

INTERFACE 1

= 3,0 g/l

sulfure (H2S)-bactéries aluminosilicates (argiles)

CORPS PRINCIPAL
SAUMATRE/SALINE

8 000 à 23 000

nette

0,04 g/l

aluminosilicates (argiles)

INTERFACE 2 (halocline)

= 1,5 g/l

CaCO3(s) calcite

SALEE

> 30 000

trouble

= 0,5 g/l

CaCO3 (s) calcite

Figure 2 : Tableau de la stratification des eaux. Stratification which can be found in the cave lakes.

Photo 1 : La salie principale de la grotte d’Abrakurrie. (cliché A.T. Warild)
The main chamber of Abrakurrie Cave. (photo by A.T.Warild).

Photo 2 :(ci-dessous) Le lac salé dans Weebubbie Cave. (cliché A.T. Warild).
The saline lake in Weebubbie Cave. (photo by A.T. Warild).

  • 3 La force ionique est une grandeur qui exprime la concentration ionique totale de la solution.

17Les eaux salées ont la capacité de pouvoir dissoudre plus de carbonate de calcium que les eaux douces. La figure 4 le démontre avec la restitution des analyses de calcium exprimées en mg/1 deCaCO3 mise en relation avec la racine carrée de la force ionique3. Le sodium et les chlorures sont les principaux ions de la force ionique dans les eaux des grottes de Nullarbor.

18La figure 4 est trompeuse car elle implique qu’il suffirait simplement d’augmenter la salinité des eaux parcourant les grottes de Nullarbor pour que les calcaires soient dissous. Cependant la plupart des eaux se déplaçant au sein des calcaires de Nullarbor sont saturées en calcite (fig. 5) et c’est pourquoi elles ne peuvent dissoudre le calcaire. Ces eaux se dirigent régulièrement vers le sud en direction de la Grande Baie Australienne et la figure 4 montre que les pourcentages de calcium qu’elles transportent sont considérables : celui-ci n’a pu être prélevé qu’au détriment du soubassement.

19Les figures 5B et 5C montrent la pression partielle de dioxyde de carbone et la force ionique pour les principales masses d’eau des grottes de Nullarbor et de l’eau de mer d’Eucla. Ces paramètres réunis avec l’index de saturation de la calcite SIc (l’index de saturation de la calcite est défini dans FORD & WILLIAMS, 1989) ont été calculés en utilisant le programme WATEQ4F (version de J. BALL, U.S.A Geological Survey, 1988) appliqué à l’eau. Les grandes variations de la pression partielle de dioxyde de carbone (pCO2) et la force ionique de ces eaux, ainsi que celles des autres eaux impliquées dans la formation des grottes de Nullarbor, montrent qu’elles deviennent agressives vis-à-vis du calcaire lorsqu’elles sont mélangées.

III. LA CORROSION PAR MÉLANGE DES EAUX

20Le mélange de solutions carbonatées de différentes compositions engendre des effets non-linéaires (WIGLEY & PLUMMER, 1976). Le tableau 1 résume les propriétés des solutions carbonatées qui présentent un comportement non-linéaire, et montrent leur importance en fonction du mélange opéré sous la région de Nullarbor.

21Le fait de pouvoir prédire si une solution de mélange peut dissoudre le calcaire est un problème complexe et il est préférable d’utiliser un programme informatique relatif à la chimie des milieux aqueux. Le logiciel PHREEQE (PARKHURST & al, 1980) a été utilisé pour calculer les concentrations particulières et le pH d’un échantillonnage de compositions d’eau de mélange et l’index de saturation consécutif en rapport avec la calcite (SIc). Le logiciel PHREEQE permet de poser le principe selon lequel aucune dissolution de minéraux, ni aucune précipitation ne se produit pendant le mélange ; cependant les résultats obtenus montrent bien le potentiel thermodynamique de dissolution ou de précipitation, comme l’indiquent les multiples indices de saturation en minéral.

Propriété

Effet sur le SIc du mélange final comparé aux effets sur le SIc des solutions initiales

Importance dans le Système de Nullarbor

pCO2

baisse

fondamentale

Force ionique

augmentation ou baisse

fondamentale

Température

augmentation ou baisse

moyenne

Redistribution

des couples d’ions

augmentation ou baisse

secondaire

Effets algébriques

augmentation

fondamentale

Tableau 1 : Propriétés des solutions qui, en mélange, donnent des effets non-linéaires (SIc = indice de saturation de la calcite). Properties of solutions which on mixing produce non-linear effects.

Figure 3 : Principaux anions et cations des eaux de grottes. Major anion and cation composition of cave waters.

Figure 4 : Variation duCaCO3 en mg/l en fonction de la force ionique, pour les grottes de Nullarbor.

Figure 5 Variations des différents paramètres pour les eaux de cavités de Nullarbor. (A) Indice de saturation de la calcite. (B) Force ionique. (C) Pression partielle de dioxyde de carbone.
Saturation index for calcite (A), ionic strength (B) and partial pressure of carbon dioxide (C) for the main cave waters in the Nullabor karst.

22Trois zones de mélange des eaux ont été distinguées et indiquées sur la figure 6 :

  • la zone de mélange (1) se situe à l’interface entre la couche de surface (“cream”) et la masse d’eau principale de l’eau de la grotte ;

  • la zone de mélange (2) se trouve là où les eaux infiltrées rencontrent les eaux salées de l’aquifère de Nullarbor ;

  • la zone de mélange (3) est au niveau de l’halocline, généralement vers 20 m de profondeur.

Figure 6 : Les trois zones de mélanges d’eaux identifiées dans le karst de Nullarbor. On distingue bien la zone d’infiltration, la zone de percolation par gravité, et la zone phréatique peu profonde (où se situe la zone de mélange 2) et profonde. Dans les cavités, on voit que la zone de mélange 1 (mixing 1) se situe dans les premiers mètres des lacs. La zone de mélange 3 (mixing 3), plus profonde (20 m), induit la précipitation de la calcite (spéléothèmes en zone noyée).
The three mixing zones identified in the Nullarbor karst.

23Ces trois zones de mélange des eaux, sous Nullarbor, peuvent être considérées comme des systèmes fermés n’étant pas ouverts sur un réservoir de dioxyde de carbone infini. Cependant cette image simple est compliquée au niveau de certaines grottes par le processus de la vie de bactéries réductrices de sulfates, qui enlève du dioxyde de carbone au système. L’utilisation du programme informatique PHREEQE nous a permis d’établir les caractéristiques de ces zones de mélange.

24- La zone de mélange 1 : Pendant notre période d’étude, deux couches superficielles ont été identifiées et observées dans les lacs souterrains. En 1988, une inondation immense a fourni une couche superficielle au lac de la Grotte de Pannikin Plain. La pluie intense fut la conséquence d’une tempête cyclonique dont les inondations consécutives effondrèrent et déstabilisèrent les parois de l’entrée en entraînant des blocs grands comme des maisons et en piégeant treize spéléologues. La grotte fut déclarée dangereuse ; deux années et demi plus tard, il n’y avait plus trace de la couche d’eau superficielle. On n’espérait pas que cette couche superficielle persisterait car le profil des températures dans les lacs souterrains est tel que l’eau la plus chaude est au fond, et c’est pourquoi on s’attendait à ce que les eaux douces, plus froides, se mélangent rapidement par convexion avec les eaux salées plus chaudes du dessous.

25En mai 1990, une pluie d’orage intense entraîna d’abondantes eaux de ruissellement dans l’entrée de la Grotte de Cocklebiddy ; les eaux formèrent une lentille d’eau douce turbide et froide de 2,5 m d’épaisseur au-dessus de l’eau salée plus chaude et moins turbide du lac souterrain. Les spéléonautes notèrent que la décantation des sédiments en suspension, issus de ces écoulements, se produisait dans les boyaux noyés sur plus d’un demi-kilomètre. Ceci signifie que les eaux douces de ruissellement se mélangent à l’eau salée sur des distances considérables et que la zone de mélange 1 n’est pas aussi clairement définie que sur la figure 6.

26La couche superficielle à Cocklebiddy fut surveillée d’août 1990 à juillet 1991 ; au cours de cette période, elle s’est éclaircie progressivement, s’est réchauffée et s’est salinisée, ce qui indique que soit elle se mélange lentement aux eaux salées du lac, soit qu’il se produit une évaporation. La chimie de l’eau évolue lentement et les indices montrent que la couche superficielle peut persister longtemps. Les calculs ont montré que les eaux superficielles sont restées sous-saturées en calcite, mais ont tendance à se saturer davantage à mesure que le temps passe. C’est pourquoi les eaux superficielles ont un potentiel de dissolution vis-à-vis du calcaire sans qu’il y ait mélange et elles semblent le faire. Toutefois, les calculs concernant les mélanges montrent qu’il y a la possibilité d’une dissolution plus forte si les eaux superficielles et celles du lac se mélangent.

27Une succession d’arrivées d’eaux superficielles dans un lac souterrain peut engendrer une encoche de corrosion au-dessus du niveau stabilisé eau saumâtre/masse principale d’eau salée, qui se situe au-dessus de la zone de mélange 1 sur la figure 6. On pense que le niveau de surface des lacs souterrains est contrôlé par le niveau de la mer de la Grande Baie Australienne (LOWRY, 1970) ; de façon certaine, de nos jours, les surfaces des lacs souterrains se situent soit au même niveau, soit à quelques mètres au-dessus du niveau de la mer. Le niveau de celle-ci est resté stable au cours des derniers 6 000 ans (CHAPPELL & SHACKLETON, 1986), c’est pourquoi on s’attend à ce que l’encoche de corrosion actuelle devienne plus importante lorsque les eaux de ruissellement auront attaqué la même région calcaire sur une longue période.

28La photo 3 montre l’entrée de la salle de Cocklebiddy avec ses multiples lignes d’encoches de corrosion, lesquelles ont été modifiées par le “crystal weathering” et ressemblent à des coups de gouges (“scallops”). Elles sont mieux préservées dans le calcaire sombre d’Abrakurrie que dans le calcaire blanc plus poreux et plus bas de Wilson’s Bluff. La grotte voisine de Pannikin Plain a également bien conservé des encoches dans les calcaires d’Abrakurrie, mais dans les grottes de Weebubbie et d’Abrakurrie (photos 1 et 2) les encoches ne sont pas aussi nettes que dans les calcaires de Wilson’s Bluff. A Cocklebiddy Cave, les encoches de corrosion peuvent s’observer à la fois au-dessus et au-dessous de l’eau ; c’est la preuve que le niveau de l’eau a varié de façon notable dans le passé.

29- La zone de mélange 2 : La dissolution du calcaire décrite ci-dessus ne peut se produire que si la grotte possède une entrée notable et que si le ruissellement peut rejoindre les lacs souterrains sans avoir été altéré par les suintements s’effectuant par les fissures ou filtrant des limons, c’est pourquoi il ne peut être l’élément essentiel de la dissolution des calcaires dans la zone phréatique peu profonde.

30Il existe de nombreux arguments physiques dans les grottes et les carrières de Nullarbor en faveur de l’existence de la zone de mélange (2). Des zones de préparation phréatique intense à petite échelle (JENNINGS, 1958) se seraient développées au niveau de la nappe phréatique là où il y a un drainage diffus. Le conduit d’écoulement se serait développé à partir de ces zones à mesure que les eaux souterraines se dirigeaient vers la côte, notamment grâce aux secteurs les mieux fissurés. Ces zones, où les grottes ont commencé à se former, sont les plus importantes pour la spéléogenèse des grottes de Nullarbor ; cependant les données concernant la chimie des eaux y sont les plus difficile à obtenir et il est plus ardu d’établir la nature des processus chimiques qui y ont cours.

31Les signes géomorphologiques d’un développement de conduits phréatiques peu profonds sont généralisés pour l’ensemble des grottes de Nullarbor. La photo 4 montre une dalle tombée à la limite de l’exploration de conduits noyés de la grotte de Murra-el-elevyn. Les chenaux anastomosés en forme de demi-tube façonnés sur les roches tombées se reflètent sur le plafond. Les spéléonautes ont noté que la dalle ne se trouve que sous un à deux mètres d’eau, ce qui indique que la dissolution par la nappe phréatique peu profonde s’est effectuée tout près du niveau ac tuel de l’aquifère. Dans la grotte de Pannikin Plain, des labyrinthes ennoyés se trouvent au même niveau. Les grottes sèches apportent des preuves supplémentaires d’une dissolution par la nappe phréatique peu profonde, quoique dans ces grottes, elles soient souvent cachées par le “crystal weathering” et les effondrements. A Mullamullang Cave, il y a de nombreuses petites dalles issues des parois des principales galeries. La grotte de Thampanna et les grottes voisines ont une origine liée clairement à l’action de la nappe phréatique peu profonde. La grotte d’Old Momestead est une grotte classique de ce type de genèse, formée sur au moins deux niveaux ; une forme typique de conduit est illustrée par la photo 5.

Photo 3 : Encoches de corrosion altérées par le “crystal weathering” dans Cocklebiddy Cave. (cliché A.T. Warild).
Corrosion notches modified by crystal weathering in Cocklebiddy Cave. (photo by A.T. Warild).

32L’histoire de l’aridité de Nullarbor rend ainsi nécessaire l’évocation de la corrosion par mélange des eaux plus que celle de la chimie conventionelle (FORD & JENNINGS, 1989), pour la dissolution des calcaires dans la zone de mélange 2. Il y a de nombreuses analyses des eaux de l’aquifère du Nullarbor : toutes montrent que celui-ci contient une forte pression partielle de dioxyde de carbone, avec une force ionique élevée et une saturation en calcite des eaux. Les autres eaux utilisées pour les calculs de mélange et les eaux d’infiltration vadoses ne peuvent pas être échantillonnées. Il est possible de prévoir leurs caractéristiques de deux façons : l’une en étudiant le cycle de l’eau de Nullarbor, l’autre par l’analyse des eaux d’infiltration dans les grottes (JAMES, 1990). Les eaux d’infiltration vadoses devraient avoir une pression partielle de dioxyde de carbone faible, une force ionique variable et devraient être saturées en calcite. Si les eaux d’infiltration vadoses et de l’aquifère, ayant ces caractéristiques, se combinent dans les proportions requises, elles engendrent un mélange qui, lui, est agressif.

Photo 4 : Blocs éboulés et submergés dans Murra el elevyn Cave, montrant des demi-tubes anastomosés, (cliché P. Rogers).
Submerged fallen block in Murra el elevyn Cave, showing anastomosing halftubes.
(photo by P. Rogers).

33- La zone de mélange 3 : Trois grottes ont une zone de mélange 3 : Pannikin Plain, Tommy Grahams et Cocklebiddy. Cette zone de mélange se situe au niveau de l’halocline, entre les eaux de fond salées et la masse d’eau principale saumâtre. Les premiers calculs de mélange concernant les eaux de part et d'autre de l’halocline ont donné un résultat inattendu : la saturation en calcite augmenterait quelles que soient les proportions des mélanges des eaux. La validité des calculs a été confirmée lorsque des plongeurs ont signalé (photo 6) qu’au-dessus de Thalocline l’eau devenait trouble et que des concrétions de calcite se déposaient. Les observations ont confirmé les résultats des calculs prévoyant une précipitation. Ce processus de cristallisation par mélange (“mixing crystallisation”) n’a pas encore été noté pour le dépôt de concrétions calcitiques dans les grottes et infirme l’énoncé de LI & al., (1989) selon lequel les concrétions de calcite ne se déposent qu’à Pair libre des grottes. Les spéléothèmes formés par “mixing crystallisation” peuvent être importants, comme par exemple à Cocklebiddy Cave où il y a un dépôt laminaire de calcite, avec des protubérances botryoïdales (en forme de grappe de raisin), sur plus d’un kilomètre de long recouvrant le bas des parois et le plancher des galeries ennoyées.

IV. LA CORROSION PAR MÉLANGE DES EAUX ET LES PALÉOCLIMATS DU NULLARBOR.

34La région de Nullarbor Plain a été aride ou semi-aride, avec des variations climatiques mineures, depuis son émersion de la mer au Miocène moyen et c’est pourquoi les processus de corrosion par mélange des eaux ont pu être actifs sur le karst depuis cette époque. Dans la région de Nullarbor, les précipitations dépendent de l’éloignement par rapport à la mer (fig. 1) et par conséquent elles varient selon la position de la ligne de rivage en concordance avec les réajustements eustatiques ; c’est un élément important lorsqu’on aborde la question de la corrosion par mélange des eaux.

Photo 5 : Les Spring Series dans la grotte d’OId Homestead, preuve de la corrosion par mélange des eaux, (cliché J.M. James).
Old Homestead Cave, the Spring Series evidence of mixing corrosion. (photo by J.M. James).

35Le plus haut niveau marin proposé par LOWRY (1970), qui s’est imprimé dans la chaîne de Hampton il y a un million d’années, peut avoir entraîné une augmentation des précipitations sur Nullarbor Plain et repoussé la limite de la forêt vers le nord. Ceci a pu correspondre à l’époque où des vastes dépôts de calcite “noire” s’accumulèrent ; des restes de calcite “noire” ont été retrouvés dans les grottes depuis Cocklebiddy jusqu’à Koonalda et celle-ci forme une accumulation fluviale d’un mètre d’épaisseur à Thampanna Cave. De nos jours, des concrétions d’évaporite se déposent et les concrétions de calcite “noire” sont fragmentées par le “crystal weathering”. A certaines époques davantage d’eau vadose a dû rejoindre l’aquifère et le processus de corrosion par mélange des eaux a pu être plus actif.

36Au cœur de la dernière glaciation (entre 18 000 et 15 000 ans BP), lorsque le niveau de la mer était au plus bas, la ligne de rivage de Nullarbor était au moins à 160 km au sud de sa position actuelle (WRIGHT, 1971). La plaine, exempte d’arbres, s’étendait alors au sud d’Eucla (MARTIN, 1978). Au cours de cette période, le climat de Nullarbor était d’environ 5 à 6°C plus froid, et plus sec. Ces conditions ont dû se traduire par une production moindre de dioxyde de carbone d’origine biogénique et par moins d’eau d’infiltration ; ce dernier aspect est important pour la corrosion par mélange des eaux, et les processus de dissolution ont dû être ralentis.

Photo 6 : La grotte de Tommy Grahams, un plongeur au niveau de l’halocline. Derrière le plongeur on remarque une démarcation très nette qui indique un début de précipitation de calcite. A noter également le reflet de la lumière sur les particules au niveau de l'halocline. (cliché P. Rogers).
Tommy Grahams Cave, a diver at the halocline. Note the distinct line on the wall behind the diver marking the set of calcite precipitation and the reflection of light on the suspended calcite particles at the halocline. (photo by P. Rogers).

CONCLUSION : DES KARSTS ARIDES ACTIFS OU HÉRITÉS ?

37JENNINGS, en 1983, posa cette question : “Are arid karsts active or relict ?” (“les karsts arides sont-ils actifs ou hérités ?”). Le karst de Nullarbor est actif et l’a sans doute toujours été depuis son émersion. Le mouvement régulier d’eaux saturées en calcite vers la côte, dont les principales sources d’alimentation en calcium sont les calcaires de Nullarbor Plain ainsi que l’indiquent les études de la chimie des eaux, montre qu’il se produit une dissolution non négligeable des calcaires. Les autres processus actifs sont les concrétionnements, le “crystal weathering” et les effondrements. Tous ces processus jouent des rôles mesurables variés. Nous supposons que ces énormes cavités ont continué d’évoluer en permanence sur des millions d’années de façon lente mais régulière et cela en fonction des mêmes processus que l’on observe de nos jours. Il y a des périodes où le cavernement de Nullarbor a du être ralenti, mais il est peu probable qu’il ait jamais cessé.

Bibliographie

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Notes

1 Trou souffleur : trou développé dans le sol par lequel l’air entre, ou sort, avec force. Les changements de flux, avec la pression et le volume, de l’air passant par ces trous sont l’indice d’une grande macroporosité du soubassement

2 Le “crystal weathering” est un processus de détachement de particules de tailles variées des surfaces rocheuses engendré par la croissance de cristaux sous l’effet de solutions salines. Les cristaux qui sont en cause dans les grottes de Nullarbor sont le gypse et l'halite.

3 La force ionique est une grandeur qui exprime la concentration ionique totale de la solution.

Table des illustrations

Légende Figure 1 : Carte de la plaine karstique de Nullarbor et localisation des principales cavités connues. 1) Isohyètes. 2) Evaporation potentielle. 3) Limite du karst de Nullarbor. 4) Tracé des principaux écoulements temporaires de surface. 5) Dunes. 6) Falaises vives et émergées, (d'après LOWRY & JENNINGS, 1974 ; données climatiques d’après Dpt. of Energy and resources, 1983).Map of the Nullarbor karst and location of the principal caves.
URL http://books.openedition.org/pub/docannexe/image/10985/img-1.jpg
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Légende Photo 1 : La salie principale de la grotte d’Abrakurrie. (cliché A.T. Warild)The main chamber of Abrakurrie Cave. (photo by A.T.Warild).
URL http://books.openedition.org/pub/docannexe/image/10985/img-2.jpg
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Légende Photo 2 :(ci-dessous) Le lac salé dans Weebubbie Cave. (cliché A.T. Warild).The saline lake in Weebubbie Cave. (photo by A.T. Warild).
URL http://books.openedition.org/pub/docannexe/image/10985/img-3.jpg
Fichier image/jpeg, 332k
Légende Figure 3 : Principaux anions et cations des eaux de grottes. Major anion and cation composition of cave waters.
URL http://books.openedition.org/pub/docannexe/image/10985/img-4.jpg
Fichier image/jpeg, 260k
Légende Figure 4 : Variation du CaCO3 en mg/l en fonction de la force ionique, pour les grottes de Nullarbor.
URL http://books.openedition.org/pub/docannexe/image/10985/img-5.jpg
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Légende Figure 5 Variations des différents paramètres pour les eaux de cavités de Nullarbor. (A) Indice de saturation de la calcite. (B) Force ionique. (C) Pression partielle de dioxyde de carbone.Saturation index for calcite (A), ionic strength (B) and partial pressure of carbon dioxide (C) for the main cave waters in the Nullabor karst.
URL http://books.openedition.org/pub/docannexe/image/10985/img-6.jpg
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Légende Figure 6 : Les trois zones de mélanges d’eaux identifiées dans le karst de Nullarbor. On distingue bien la zone d’infiltration, la zone de percolation par gravité, et la zone phréatique peu profonde (où se situe la zone de mélange 2) et profonde. Dans les cavités, on voit que la zone de mélange 1 (mixing 1) se situe dans les premiers mètres des lacs. La zone de mélange 3 (mixing 3), plus profonde (20 m), induit la précipitation de la calcite (spéléothèmes en zone noyée).The three mixing zones identified in the Nullarbor karst.
URL http://books.openedition.org/pub/docannexe/image/10985/img-7.jpg
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Légende Photo 3 : Encoches de corrosion altérées par le “crystal weathering” dans Cocklebiddy Cave. (cliché A.T. Warild).Corrosion notches modified by crystal weathering in Cocklebiddy Cave. (photo by A.T. Warild).
URL http://books.openedition.org/pub/docannexe/image/10985/img-8.jpg
Fichier image/jpeg, 328k
Légende Photo 4 : Blocs éboulés et submergés dans Murra el elevyn Cave, montrant des demi-tubes anastomosés, (cliché P. Rogers).Submerged fallen block in Murra el elevyn Cave, showing anastomosing halftubes.(photo by P. Rogers).
URL http://books.openedition.org/pub/docannexe/image/10985/img-9.jpg
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Légende Photo 5 : Les Spring Series dans la grotte d’OId Homestead, preuve de la corrosion par mélange des eaux, (cliché J.M. James).Old Homestead Cave, the Spring Series evidence of mixing corrosion. (photo by J.M. James).
URL http://books.openedition.org/pub/docannexe/image/10985/img-10.jpg
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Légende Photo 6 : La grotte de Tommy Grahams, un plongeur au niveau de l’halocline. Derrière le plongeur on remarque une démarcation très nette qui indique un début de précipitation de calcite. A noter également le reflet de la lumière sur les particules au niveau de l'halocline. (cliché P. Rogers).Tommy Grahams Cave, a diver at the halocline. Note the distinct line on the wall behind the diver marking the set of calcite precipitation and the reflection of light on the suspended calcite particles at the halocline. (photo by P. Rogers).
URL http://books.openedition.org/pub/docannexe/image/10985/img-11.jpg
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© Presses Universitaires de Bordeaux, 1992

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