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La Haute Montagne calcaire

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Richard Maire

Deuxième partie. Les remplissages endokarstiques

Introduction. Les remplissages endokarstiques des montagnes alpines : des marqueurs paléoclimatiques

Texte intégral

LES CONCEPTS

1Dans la géologie du Quaternaire continental, le concept de marqueur paléoclimatique et stratigraphique s'applique la plupart du temps aux formations superficielles s.l., les dépôts piégés dans le karst ayant toujours été considérés comme des cas particuliers (cf. CHALINE, 1985). Pendant des décennies, des préhistoriens et des chercheurs se sont attachés à étudier abris-sous-roche, entrées de grottes, remplissages de cavités recoupées par des tranchées artificielles (routes, carrières...), sans se préoccuper des remplissages profonds situés dans les conduits des systèmes endokarstiques. Ces études ont été et demeurent fondamentales, mais elles mettent en évidence la difficulté d'un calage chronologique précis et le caractère confus de nombreux dépôts, d'où l'expression péjorative de "Poubellien" parfois utilisée à leur égard.

2Mais il existe une autre famille de remplissages karstiques — les remplissages endokarstiques découverts par l'exploration spéléologique — dont les études récentes et en cours devraient révolutionner les recherches sur le karst et éclairer d'un jour nouveau tout un pan du Quaternaire continental. Pour être conscient de l'importance des études entreprises sur ces dépôts profonds, parfois difficilement accessibles, il faut avoir à l'esprit la notion de piège endokarstique qui suppose la conservation de sédiments témoins qui auraient normalement disparus en surface par les agents de l'érosion (EK et QUINIF, 1988). Ce concept de piège endokarstique prend beaucoup plus de valeur quand, au lieu d'étudier du "Poubellien" classique, on découvre des remplissages fluvio-lacustres souterrains qui ont une réelle signification stratigraphique.

3Dès lors, on comprend l'intérêt majeur des dépôts localisés dans les grands réseaux spéléologiques du milieu alpin s.l., car ils ont enregistré la succession des glaciaires-interglaciaires au cours du Pléistocène.

LA PROBLEMATIQUE GENERALE

4Celle-ci est simple dans son principe : on va rechercher dans les réseaux souterrains de la haute montagne calcaire les traces des anciennes glaciations dont les indices extérieurs sont généralement masqués ou détruits par la dernière glaciation. A cet égard, on comprend le puissant intérêt du milieu alpin s.l., car il s'agit d'une zone de marge (zone limite) où les seuils morphoclimatiques sont facilement franchis au cours des multiples cycles climatiques du Quaternaire : glaciation, déglaciation, fluctuation de la limite supérieure de la forêt et de la couverture pédologique, arrêt ou reprise du concrétionnement souterrain.

5A tous égards, les zones climatiques marginales (des milieux extrêmes), comme les déserts polaires, haut-alpins ou chauds, sont généralement d'excellents témoins des ruptures climatiques. Ainsi, en associant les concepts de pièges à sédiments (réseaux endokarstiques), de milieu extrême (karsts de haute montagne) et de ruptures climatiques, on a les trois éléments indispensables et suffisants pour tenter de reconstituer l'histoire des derniers cycles climatiques.

6Si la problématique est simple, la prospection spéléologique nécessaire à la découverte de coupes endokarstiques intéressantes requiert des compétences inhabituelles pour un scientifique. Voilà pourquoi les nouveaux chercheurs de l'endokarst sont d'abord des spéléologues. Cette dimension sportive est un fait qui a accompagné la révolution technique de la spéléologie dite "alpine" dans les années 1970-1980 : non seulement elle ne discrédite pas la qualité scientifique, mais elle est l'unique moyen d'accéder à la coupe intéressante.

7Peut-on parler de séquence continue dans les remplissages souterrains ? Oui si l'on admet une tranche de temps équivalente à un ou plusieurs cycles climatiques (glaciaires-interglaciaires). Non si l'on considère l'ensemble du Quaternaire, du moins sur une seule coupe. Jusqu'à présent, seuls les remplissages externes lacustres ou palustres du type Sabana de Bogota (Bolivie) ou de Philippi (Macédoine, Grèce), étudiés notamment par VAN DER HAMMEN, permettent de couvrir l'ensemble du Pliocène supérieur et du Pléistocène. Mais ces dépôts externes, comme les lœss de Chine étudiés par KUKLA (1988), présente un calage chronologique peu détaillé, fondé sur le paléomagnétisme.

8L'avantage des dépôts souterrains de montagne de type fluvio-lacustre réside dans leur signification climatique et surtout dans la possibilté d'un calage chronologique par radiométrie (méthode U/Th) des concrétions stalagmitiques (ou spéléothèmes), du moins jusqu'à 350 000 ans qui est la limite de la méthode.

9A un dépôt argilo-limoneux à farine carbonatée, souvent varvé, correspond toujours un contexte glaciaire. Les sédiments les plus grossiers peuvent être le résultat de périodes de fonte massive et de débourrages de conduits. En revanche, à un remplissage chimique (concrétions de calcite) correspond toujours une amélioration climatique importante. Seules les phases de réchauffement, avec disparition des glaciers et réapparition d'une couverture bio-pédologique, permettent donc la croissance des spéléothèmes. Ce phénomène est systématique de sorte que chaque période de réchauffement se traduit par un concrétionnement qui permet de caler les dépôts détritiques intermédiaires.

LES METHODES D'ETUDES

10Les deux ensembles de méthodes permettant d'étudier ces séquences souterraines sont :

  • la description stratigraphique et la sédimentologie des remplissages ;
  • l'analyse isotopique des concrétions stalagmitiques par la méthode U/Th (CERAK, Y. QUINIF). Des études complémentaires de micromorphologie (lames minces) ont été réalisées sur les varves, les conglomérats et les spéléothèmes. La palynologie des remplissages varvés n'a pas donné de résultat, ce qui est conforme à des sédiments mis en place pendant une phase glaciaire. Par contre, en complément des datations U/Th, il faut ajouter la palynologie et l'analyse des paléotempératures (méthode l8O/16O) sur les concrétions stalagmitiques, mais il n'a pas été possible de les réaliser dans ce travail.

11A l'avenir, pour croiser les méthodes de datation, il faut utiliser :

  • le radiocarbone (fiable jusqu'à 35 000 ans BP), mais ce procédé est peu valable sur la calcite (J. EVIN, comm. orale), sauf si des os ou du charbon de bois sont cimentés par la concrétion ;
  • le paléomagnétisme est utile pour les sédiments anciens (dépôts détritiques et spéléothèmes), mais il s'agit d'une méthode indirecte qui ne se suffit pas à elle-même ; -la téphrochronologie, que l'on commence à utiliser avec S. POMEL, peut donner des résultats intéressants dans les concrétions et les remplissages détritiques, à condition de pouvoir retrouver la signature minéralogique de telle ou telle explosion volcanique. Dans les spéléothèmes, le croisement de cette méthode avec l'analyse isotopique U/Th est d'un grand intérêt (JUVIGNE et GEWELT, 1988). Pour les remplissages plus anciens que 350 000 ans, paléomagnétisme et téphrochronologie peuvent donc se révéler efficace.
  • la thermoluminescence (ou TL) sur les sédiments karstiques et sur la calcite ne donne pas encore de résultats convaincants (LALOU et VALLADAS, 1985) ;
  • la Résonance Paramagnétique Électronique (RPE), en particulier sur les concrétions de calcite, est voisine de la TL. Cette méthode, encore au stade exploratoire, devrait permettre de couvrir les derniers millions d'années (cf. POUPEAU et ROSSI, 1985 et travaux de YOKOHAMA sur les spéléothèmes in op. cit.). Toutefois, comme pour la thermoluminescence, se pose le problème du calcul de la dose annuelle de radiation. En attendant que la méthode s'affine, la plus grande prudence est de rigueur (DE CANNIERE, DEBUYST et DEJEHET, 1990).

12En l'état actuel des connaissances, il faut donc se fonder sur la méthode U/Th pour les derniers 350 000 ans, utilisée ici grâce à l'étroite collaboration avec Y. QUINIF (laboratoire de géochimie isotopique du CERAK, Faculté Polytechnique de Mons, Belgique).

PRINCIPES ET METHODES D'ETUDE DES SEQUENCES ENDOKARSTIQUES

13Les dépôts endokarstiques des montagnes alpines ou de celles qui ont été englacées au cours du Pléistocène ont enregistré, en certains lieux privilégiés, les divers cycles climatiques, tout au moins du Quaternaire moyen et récent :

  • par les concrétionnements stalagmitiques eux-mêmes ;
  • par les remplissages détritiques et les spéléothèmes associés.

14 Dans les spéléothèmes

15En milieu alpin, les concrétions souterraines ne croissent qu'en période de réchauffement. Par conséquent, les surfaces de corrosion-érosion visibles en coupe après sciage de la concrétion ou simplement sur la surface externe sont les témoins de ruptures climatiques correspondant aux phases glaciaires (zone condensée (croissance ralentie), interruption de croissance, corrosion-érosion, voire destruction mécanique du spéléothème par les crues de fusion des glaciers).

16Pour les concrétions plus récentes que 350-400 ka (1 ka = 1000 ans), on coupe la stalagmite dans le sens de la hauteur. La structure interne met en évidence les zones de croissance et d'interruption-corrosion. L'intérêt est de prélever sur une moitié de la stalagmite ou du plancher, de bas en haut, des échantillons de calcite suffisamment gros pour l'U/Th, l'18O/16O et la palynologie. Cette multiméthode nécessite une concrétion saine et assez volumineuse pour l'échantillonnage séquentiel. Si la teneur en uranium est importante (plusieurs ppm comme dans la galerie Aranzadi ou dans certains réseaux de Haute Savoie : Jean-Bernard, Karen), on peut se contenter de concrétions de taille moyenne, donc aisément transportables.

17Cette multiméthode nécessite un travail pluridisciplinaire, car elle fait appel à des spécialités différentes et à des analyses coûteuses. De plus, elle contraint à des prélèvements qui respectent au maximum l'environnement de la cavité (choix de concrétions brisées naturellement ou cachées). Pour les gros massifs stalagmitiques, il est préférable de pratiquer des carottages. Cette dernière technique peut présenter une mise en œuvre difficile : transport du groupe électrogène ou déroulement d'un cable.

18Pour les concrétions plus anciennes que 350-400 ka, la méthodologie générale reste la même. Mais ces concrétionnements anciens posent des problèmes car ils sont fréquemment poreux (corrosion interne) ; cependant, l'étude micromorphologique des contaminations bio-détritiques et des morphologies cristallines peut donner des indications précieuses sur les paléoenvironnements. On peut les rencontrer aussi bien dans l'endokarst que dans les cavités recoupées par l'érosion superficielle. Leur investigation précise, comme sur le massif de la Pierre Saint-Martin, ne fait que débuter. Pour la méthode croisée U/Th et paléomagnétisme, se reporter à ROWE, AUSTIN et ATKINSON (1988).

19 Dans une coupe détritique calée par des spéléothèmes

20Les grandes séquences souterraines en milieu alpin intégrant à la fois des dépôts détritiques et des concrétions stalagmitiques intercalaires sont assez rares. En revanche, les petites coupes sont nombreuses et leur intérêt n'est pas négligeable car il est possible de les corréler si Ton a un calage U/Th. La plus importante séquence actuellement connue et étudiée en montagne est celle de la galerie Aranzadi, haute de 10 à 30 m et longue de 300 m, que nous étudions avec Y. QUINIF, avec la collaboration de l'ARSIP (chap. XII).

21Si Ton veut avoir une séquence en continu des 350 000 dernières années, il faudrait disposer d'une coupe théorique dans laquelle chaque ensemble varvé (épisode glaciaire) est séparé par des surfaces ravinantes (+ terrasses fluviatiles éventuelles) et des spéléothèmes témoignant des réchauffements interglaciaires et interstadiaires. Dans ce cas, qui est illustré par la coupe d'Aranzadi et par d'autres, on adopte la méthodologie suivante :

  • nettoyage de la coupe ;
  • description stratigraphique précise ;
  • sédimentologie et micromorphologie des dépôts détritiques ;
  • analyse complète des spéléothèmes associés.

22Dans le milieu alpin, les remplissages détritiques fins sont très pauvres en pollens car il s'agit de formations fluvio-glaciaires. Par contre, on peut faire une étude précise des varves (comptage, mise en évidence de sous-séquences et de cycles secondaires répétitifs), complétée éventuellement par une recherche de téphra (sur lames minces et par morphoscopie de la fraction comprise entre 20 et 100 µm). Pour les coupes complexes remontant au-delà de 350 ka, il faut compléter la méthode U/Th par les autres procédés déjà signalés plus haut. Pour les coupes plus récentes, comprises entre l’Actuel et 200 à 350 ka, la méthode U/Th permet une corrélation entre les dépôts d'un même réseau, d'un même massif, d'un même milieu (le milieu alpin s.l. en l'occurence) ou des comparaisons entre plusieurs domaines bioclimatiques (boréal, alpin, méditerranéen, tropical).

23Ces séquences détritiques et à spéléothèmes associés sont donc des enregistrements de valeur régionale et continentale, dans le cadre morphoclimatique de la haute montagne alpine s.l. Cette valeur reproductible de l'interprétation des coupes, à partir des datations isotopiques notamment, est fondamentale en géologie du Quaternaire. Elle met en évidence l'intérêt des dépôts endokarstiques alpins pour la chronologie du Pléistocène continental en complément des données obtenues, en particulier, sur les grandes séquences lacustres et loessiques.

24C'est dans les années 1990 que ces recherches sur l'endokarst vont prendre leur essor parallèlement aux progrès des méthodes isotopiques. En outre, ces recherches doivent s'accompagner de l'étude de carottes effectuées dans les remplissages des poljés intramontagnards du pourtour méditerranéen ; il serait ainsi possible de couvrir l'ensemble du Plio-Quaternaire en corrélation avec l'endokarst des hauts massifs environnants.

© Presses Universitaires de Bordeaux, 1990

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