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Les tufs et travertins en Périgord-Quercy

 | 
Frédéric Hoffmann

3 - Étude de la dynamique actuelle des tufs en Perigord-Quercy : l’apport de l’hydrochimie et de l’hydrodynamique

Texte intégral

INTRODUCTION

1L'eau et ses caractéristiques représentent la deuxième grande série de paramètres qui conditionne la mise en place des tufs et des encroûtements, au même titre que les organismes bio-incrustants. Les potentialités de dépôt de cette eau peuvent être décrites par deux grandes séries de facteurs :

2- d'une part, cette eau provient du karst. A ce titre, et selon la structure karstique d’où elle provient, elle possède certaines caractéristiques initiales marquées par sa minéralisation globale, sa teneur en carbonates, mais également sa teneur en gaz dissous, et notamment sa pCO2 (pression en CO2) ;

3- d'autre part, elle subit une évolution dès qu’elle quitte le karst, et qui affecte en premier lieu les paramètres physiques de ce solvant : pH, température, pression, etc. La modification de ces paramètres entraîne à son tour un changement des équilibres chimiques, provoquant alors la précipitation et, de façon quasi concomitante, le dépôt de carbonates.

4La caractérisation des milieux de dépôt peut s'effectuer alors par la mesure de différents paramètres physicochimiques, que l'on peut regrouper en deux grands domaines :

5- l’importance du système calco-carbonaté : le système calco-carbonique ou calco-carbonaté est basé sur quatre paramètres : pH, température, pCO2 (pression en gaz carbonique dissous) ou CO2 dissous, (gaz carbonique dissous), TH (dureté totale), et sur quatre ions : Ca2+ (calcium), Mg2+ (magnésium), HCO3- (hydrogénocarbonates ou bicarbonates), CO32- (carbonates) ; dans une moindre mesure, il faut y adjoindre l’ion SO42- (sulfate), dont la très grande affinité avec l'ion Ca2+, peut amener d'importantes modifications du système ;

6- les autres ions dont l'intérêt est mineur : conséquences directes sur le système calco-carbonaté, mesure de l'équilibre ionique de la solution et des diverses influences subies par le système, aide à la compréhension de la dynamique hydrochimique : Na+ (sodium) K+ (potassium), CL (chlorures), NO3- (nitrates + nitrites), PO43- (phosphates sous la forme d'ions orthophosphate), SiO2 (silice). Ces mesures sont couplées à celles d'autres paramètres comme la conductivité à 25°C (en µS/cm/cm2), et, quand cela est possible, le débit.

7- La notion de suivi et de chronique : l'ensemble de ces paramètres physico-chimiques doit être mesuré dans deux cadres bien définis, faisant intervenir la notion de suivi et de chronique :

8- leur évolution temporelle doit permettre la compréhension du fonctionnement saisonnier du système de dépôt. Leur mesure à différents pas de temps peut amener des informations de nature différente et très souvent complémentaire. L'ensemble de ces pas de temps forme alors une chronique. Ce type d'approche s’oppose bien sûr aux mesures ponctuelles trop souvent pratiquées en hydrochimie karstique, et dont on tire des conclusions hâtives, la plupart du temps erronées ;

9- leur évolution spatiale permet d’appréhender la dynamique d'ensemble du système de dépôt. Elle concerne principalement les paramètres du système calco-carbonaté.

10Le croisement de ces deux cadres offre alors une vision d'ensemble du fonctionnement ou du non fonctionnement du tuf.

11- Deux dynamiques hydrochimiques différentes : tufs de vallée et de source : selon leur éloignement par rapport au karst, on peut alors définir deux dynamiques hydrochimiques différentes :

12- pour les dépôts de source, deux situations différentes se présentent :

131) les eaux émergent du karst très nettement sous saturées en carbonates. Selon leur minéralisation, ces eaux réalisent cette saturation plus ou moins rapidement. L'intensité des mécanismes de précipitation va dépendre alors du plus ou moins grand degré de sous saturation des eaux et de leur vitesse à réaliser cette saturation. Il faut alors ajouter les modalités d'écoulement des eaux, la présence d'organismes bio-incrustants, etc. ;

142) les eaux émergent du karst à l’équilibre ou saturées en carbonates. La précipitation s'effectue très rapidement, au droit de la source. L'intensité du dépôt demeure alors soumise principalement aux modalités d'écoulement des eaux, et dans une moindre mesure, à la présence d'organismes bio-incrustants ;

15- pour les barrages travertineux, les dépôts de paroi et de fond de cours d'eau, les modalités sont différentes :

16* des modalités d’écoulement prépondérantes : les modalités d’écoulement jouent un rôle majeur dans les phénomènes de saturation, de précipitation et de dépôt des carbonates. Des écoulements laminaires ou au contraire très turbulents (cascades) vont avoir des conséquences sur l'intensité de la précipitation, sur la vitesse d'écoulement des eaux et de leur renouvellement, mais également sur la répartition des organismes incrustants. On obtient alors un faisceau de potentialités biologiques, chimiques et hydrodynamiques, concourant à la plus ou moins grande intensité des phénomènes ;

17* l’influence de l’étendue spatiale des dépôts de vallée : la plus ou moins grande étendue spatiale des secteurs d'encroûtements tend à ramener progressivement un retour à l'équilibre des eaux vis à vis des carbonates. Un facteur peut inverser cette tendance, avec le mélange de deux cours d'eau, mais également et le plus souvent avec des eaux de sources provenant du karst. Cette influence peut engendrer d'importantes variations de minéralisation. De plus, la modification saisonnière de certains paramètres, comme la température par exemple, peut provoquer d'importants changements et créer des situations saisonnières très contrastées.

18En fonction de ces diverses problématiques, on peut sélectionner deux systèmes de dépôt. D’autres études hydrochimiques complètes sont présentes dans la thèse initiale. Seuls deux exemples ont été sélectionnés pour cette présentation :

19- le système de la Coly-Chironde (bassin de la Vézère) : il illustre un exemple de mélange des eaux, provenant de deux systèmes hydrogéologiques différents (karsts sans ou avec couverture jurassique et crétacé). Ce mélange d'eaux de surface est à la base d'un important système de dépôts comprenant à la fois des encroûtements de parois et de fond de vallée, mais surtout de multiples petits barrages travertineux cascadants. Il se termine alors par une série de barrages plus importants, illustrant les mécanismes de fonctionnement de chutes d'eau (dynamique haut de chute-bas de chute). Ce système est une des pierres angulaires de cette étude ;

20- la source du Moulin Farfal : l'étude en détail du dépôt de la source du Moulin Farfal (bassin de la Dordogne) permet d'illustrer la dynamique d'une source incrustante. Le fonctionnement karstique de cette petite source joue un rôle fondamental dans l'intensité des mécanismes de dépôt. Son suivi mensuel pendant 24 mois, ainsi que tous les 10 jours pendant quelques mois de cette chronique permet alors de saisir les grands mécanismes de ce fonctionnement. De plus, l'installation d'une station expérimentale d'encroûtements sur baguettes de verre complète cette étude de détail, et permet de présenter la mécanique complexe d'un tel système de dépôt. La comparaison avec d'autres données ponctuelles issues de l'étude d'autres sources du Périgord-Quercy offre la possibilité de replacer ce site dans un contexte plus général.

3.1 - METHODOLOGIE D'ETUDE DES TRAVERTINS ET PHYSICOCHIMIE DES EAUX INCRUSTANTES

21La chimie des eaux incrustantes est donc régie principalement par la cinétique du système calco-carbonaté. Cette cinétique a été particulièrement étudiée dans les années 1960 par les français, les américains et les allemands. En France, c'est à ROQUES [1962, 1963, 1964, 1967, 1969, 1972] que l'on doit les principales avancées. Il est le premier à mettre en évidence que l'on ne peut pas séparer les trois phases chimiques (liquide, gazeuse et solide) pour déterminer le comportement d'une solution face à ce système. Seuls les éléments les plus importants seront reportés dans cette partie méthodologique. Pour les compléments, on se reportera à la version universitaire de la thèse ainsi qu’à la bibliographie.

3.1.1 - LE FONCTIONNEMENT DU SYSTEME CALCO-CARBONATE : UNE MISE À L’EQUILIBRE DES TROIS PHASES CHIMIQUES

22Selon BAKALOWICZ [1988 b], la formation de tufs résulte de processus chimiques intervenant dans l’eau selon trois phases : liquide (la solution), gazeuse (l'anhydride carbonique) et solide (le carbonate). Le dépôt représente donc le résultat final de la mise à l'équilibre des trois phases du système.

A) Les différents phases du système calco-carbonate et les principaux facteurs influençant sa dynamique

23Ces différentes réactions ont été particulièrement étudiées par ROQUES et d’autres auteurs. Il a montré que les réactions entre ces phases ne sont pas complètes, et qu'elles constituent une chaîne d'équilibres (on se reportera à cet auteur pour la description en détail des neuf équations du système calco-carbonaté et leur interprétation ; nous ne conservons ici que les informations qui éclairent directement la cinétique du système).

1°) Précipitation et saturation

24Globalement, ce système a neuf équations comporte 10 inconnues. Pour déterminer l'état d'une solution par rapport à l'équilibre, il est nécessaire de disposer de deux variables indépendantes. On peut considérer qu'en pratique, si l'on fixe l'une de ces deux variables, toutes les autres sont déterminées [ROQUES, 1972 ; BAKALOWICZ, 1979]. Dans un tel système, la mesure de la molalité des cations divalents, des ions hydrogénocarbonate et sulfate permet alors de résoudre ce système d'équations, dont la solution représente le pH d'équilibre. C'est le pH qu'aurait la solution si elle était en équilibre avec les phases solide et gazeuse.

25-Sursaturation et nature incrustante des eaux : comme fait très justement remarquer BAKALOWICZ [1988 b], on associe très souvent agressivité et sous saturation, comme sursaturation et nature incrustante des eaux. En réalité, ces notions ne se recouvrent que partiellement.

26Ainsi, la nature incrustante d'une eau ne doit elle être envisagée que dans le contexte des trois phases du système de façon simultanée. Il représente alors l'état de la solution, et par exemple, une eau peut très bien être sous saturée en carbonates si elle possède une pCO2 importante et devenir très rapidement incrustante après dégazage de celle-ci. Ce changement provient principalement de l'évasion atmosphérique du CO2 dissous équilibrant. La plupart du temps, la pCO2 des eaux karstiques est nettement supérieure à celle de l'air.

27Le CO2 dans le karst provient pour une grande part des sols et de la végétation. Ces pCO2 biogéniques peuvent être très fortes par rapport à celle de l'atmosphère. On les retrouve souvent dans des karsts à circulation confinée et/ou des karsts de surface. Là, on peut mesurer pleinement l'influence jouée par le karst dans la répartition des dépôts de tufs. Le dégazage consécutif à la réapparition à l'air libre des eaux provoque alors un réajustement des équilibres au sein du système, sous la forme d'un précipité de carbonate de calcium, et si les conditions sont réunies, d'un dépôt. On comprend alors tout l'intérêt de calculer cette pCO2, équilibrante de la phase minérale.

28- Précipitation et dépôt : à ce niveau, il est nécessaire d'insister sur la nuance qui sépare précipitation de celle de dépôt. (On entend par précipitation la formation de cristaux de calcite, et par dépôt, leur fixation sur un support naturel ou non, au sein d'un bio-organisme, etc. Dans le premier cas. il s’agit d'un simple transit de matériau, dans le deuxième d'un véritable encroûtement, que le support v prenne une part active ou non (dépôt d'origine physico-chimique ou biochimique). Toute la question réside dans le fait de savoir si les encroûtements sont strictement égaux aux quantités de carbonates précipitées que l'on peut mesurer par voie chimique (aux erreurs de mesure près). En l'absence de réponse nettement affirmative, nous estimons que l'essentiel des quantités précipitées se retrouve sous forme de tufs et d'encroûtements.

29- La sursaturation : c’est une notion très complexe, car à la différence de la sous saturation qui entraîne automatiquement une mise en solution supplémentaire du carbonate, elle n'entraîne pas automatiquement de précipitation. Elle nécessite d’autres conditions préalables, notamment influençant la formation de cristaux. Il faut donc alors à la fois des sursaturations très fortes (indices > à 0,7) et des "micro-supports" faisant office de noyaux de germination. Cette nuance séparant précipitation de celle de dépôt entraîne très souvent une confusion dans la littérature, et l'on peut proposer une nuance de vocabulaire, correspondant à ces deux notions.

30A ce titre, nous avons donc introduit cette nuance afin de mieux préciser les aptitudes de la solution considérée face à la précipitation. Nous avons alors séparé les notions de saturation et de sursaturation :

31- la première correspond à des valeurs d'indice de saturation comprises entre 0 (équilibre théorique de la solution) et 0,5 à 0,7. Dans cet intervalle, la précipitation des carbonates est fort probable mais le dépôt nécessite l'influence de conditions extérieures (oxygénation, organismes incrustants, hydrodynamique appropriée, etc.). Cette saturation est alors assimilable à une potentialité de l'eau à réaliser la précipitation sans toutefois y arriver de façon systématique ;

32- au delà de 0,7, on peut considérer que la précipitation a de grandes chances de se réaliser de façon quasi-automatique. BAKALOWICZ [1990] considère qu'au delà de 1,0, précipitation et dépôt deviennent automatiques. Ce type de situation représente alors les conditions optimales pour la formation d'un encroûtement. Il est vrai que nous avons constaté dans les secteurs où l'on rencontre de telles valeurs d'indices, des situations assimilables à une précipitation des carbonates en continue, de façon généralement intense. Cependant, on gardera à l'esprit que précipitation et dépôt ne se recouvrent pas totalement eux non plus.

33Ainsi, l'introduction de supports naturels et artificiels n'entraîne t’il pas un encroûtement automatique de ces derniers, qui requiert en général plusieurs jours avant de voir des formes nettes d'incrustation, malgré de fortes valeurs de saturation.

Figure 3-1 : Les trois chaînes du système CO2-H2O-carbonate (selon ROQUES. 1964).

34- La saturation de contact : on peut cependant obtenir d'importants encroûtements même lorsque les eaux présentent un état de simple saturation. Les eaux possèdent alors toutes les aptitudes à déposer, mais les conditions de sursaturation n'interviennent qu'après un changement brusque de l'hydrodynamique (cascades) ou au niveau de certains organismes incrustants. Ceci fait intervenir la notion de saturation de contact développée par CASTANIER [1987] : certaines bactéries, au contact de leur enveloppe, peuvent réaliser des conditions très basiques avec un pH de l'ordre de 13, provoquant une précipitation automatique des carbonates au contact de ce milieu hyperbasique.

2°) La vitesse du système CO2-H2O-carbonate

35On comprend alors que ce sont les changements des différents paramètres qui gouvernent la cinétique du système calco-carbonaté, et que sa dynamique reste inféodée à la vitesse de ces changements, le long des trois chaînes (Fig. 3-1). On peut estimer que le temps nécessaire pour que les éléments en solution atteignent l'équilibre est de l'ordre de quelques secondes. Il est de quelques minutes à plusieurs heures entre le gaz et la solution et de plusieurs jours à plusieurs semaines entre la phase liquide et la phase solide [BAKALOWICZ, 1988].

36-Une cinétique différentielle : la première chaîne représente les échanges CO2 entre les phases liquide et gazeuse. La deuxième concerne les réactions chimiques au sein de la solution [hydratation et hydroxylation, selon MUXART et BIROT, 1977]. Enfin, la troisième est le domaine de la précipitation des carbonates (ou de la dissolution selon le milieu considéré). Ces trois chaînes sont séparées par deux interfaces : gaz-liquide et liquide-solide. Toute modification d'équilibre au sein d'une des chaînes entraîne le réajustement de l'ensemble du système. Il est lui-même soumis aux équilibres de chaque système partiel qui le compose. De ce fait, la dynamique d'ensemble reste donc soumis à la cinétique du système le plus lent :

37- la vitesse de la première chaîne dépend étroitement de l’agitation du milieu liquide, de la température et de la surface de contact air-liquide. Cette dynamique est parfois très rapide, de l’ordre de la seconde (à la surface de la mer par exemple), parfois très lente en l'absence de toute turbulence (plusieurs heures dans le cas de percolation très lente). Plus globalement, cette dynamique peut être considérée comme rapide, notamment entre l'eau et l'atmosphère ;

38- les vitesses de formation de la deuxième chaîne sont variables, selon les mécanismes mis en cause. Les réactions d'ionisation ou de désionisation sont instantanées, alors que celles concernant l'hydratation ou l'hydroxylation sont plus lentes. De façon schématique, la cinétique de formation de l’ion HCO3- est régie par les réactions les plus lentes. Le système reste alors soumis au pH et à ces variations. Sur des eaux idéales, de pH ≤ 8, les réajustements sont de l'ordre de quelques minutes. Pour les mêmes pH, les eaux naturelles qui constituent de systèmes beaucoup plus complexes, présentent des temps de réajustement beaucoup plus longs ;

39- les vitesses à l'interface liquide-solide sont fonction du système, en dissolution ou en précipitation. Pour cette dernière, des expériences réalisées par ROQUES sur des solutions idéales de CaCO3 donnent des vitesses diverses [EK, 1973]. Il obtient en effet, des précipitations quasi-instantanées pour des teneurs de 350 mg/l de CaCO3 et plus, à pCO2 égale à 3.10-4 atm, soit 0,0003 atm. (assimilables à des conditions de sursaturation). Les réactions sont beaucoup plus lentes pour des conditions assimilables à une simple saturation (zone dite "de calcite métastable"). Cette situation concerne la plupart des eaux incrustantes. L'augmentation de la pCO2 permet une mise en solution d’une quantité plus importante de CaCO3 avant d'obtenir une précipitation. La cinétique du système calco-carbonaté reste donc soumise à la vitesse de la troisième chaîne, plus ou moins lente selon les conditions d'agitation et de pCO2.

40- Le CO2 : un état différent en fonction du pH : la relation qui unit les différents états du CO2 (CO2, HCO3- et CO32-) et le pH est très forte. Le CO2 est un gaz qui se dissout très bien dans l'eau, et ce d'autant plus facilement que la température de l'eau est basse. Il se trouve sous deux formes dissoutes : sous forme gazeuse et sous forme hydratée (acide carbonique).

41L'acide carbonique, H2CO3 (cette notation reste controversée, car on n'a jamais pu isoler de l'acide carbonique pur et certains auteurs comme ROQUES, MUXART, BAKALOWICZ préfèrent la notation CO2, nH2O) se décompose en ion bicarbonate, HCO3-, puis en ion carbonate, CO32-. La présence et les proportions de ces deux ions dépendent du pH de l'eau : en dessous d’un pH de 8,3, le CO32- (carbonate) est tenu pour négligeable et seul est pris en compte le HCO3- (hydrogénocarbonate). En dessous d'un pH de 4,3, les ions HCO3- n'existent plus, et n’est présent que du CO2 dissous. A partir d'un pH de 8,3 (8,2/8,3 ou 8,4 suivant les auteurs), le CO32- devient notable, et le CO2 dissous disparaît. Selon le diagramme de ROQUES [1964], CO2, nH2O disparaît à partir d'un pH de 8,8 environ et HCO3- à partir d'un pH de 12.

42Dans de telles conditions, même avec un pH élevé, les eaux karstiques contiennent toujours une grande quantité d'ions HCO3-. A partir de 8,3, il est nécessaire de mesurer sur le terrain, les carbonates qui commencent alors à jouer un rôle dans l'équilibre ionique de la solution.

3°) La solubilité des sels

43- Une saturation différente en fonction des sels : l’un des facteurs importants pouvant modifier ces phénomènes de saturation tient dans la nature du sel considéré. En effet, on déclare toujours l'état de l'eau et sa saturation par rapport à un sel donné, très souvent la calcite (CaCO3), mais ce dernier n'est pas le seul que l'on peut rencontrer de façon naturelle, dans des conditions normales de température et de pression. Ces variations de saturation se situent au niveau de l'interface liquide-solide. Selon leur solubilité intrinsèque, une solution peut arriver à un point de saturation par rapport à un sel, tout en continuant à en dissoudre d'autres.

44Par exemple, prenons le cas d'une solution ayant dissous une certaine quantité de CaCO3 de telle manière que l'on puisse la considérer saturée par rapport à la calcite. Si, lors de son trajet, elle rencontre de la dolomite (CaMg(CO3)2) ou du gypse (CaSO4.2H2O), elle peut dissoudre ces composés. Cette action amène un accroissement des minéraux calciques (Ca2+). Ceci provoque alors une sursaturation en sel de calcium le moins soluble, qui aura donc tendance à précipiter. Cet effet est connu sous le nom d'effet d'ion commun, ici le calcium. Il permet de mettre en évidence une notion fondamentale concernant l'étude des phénomènes de saturation. Elle réside dans la relation qui unit solubilité et saturation : plus un sel est soluble et moins il aura tendance à précipiter, nécessitant des teneurs de plus en plus grande avant d'atteindre le point de saturation, ceci à des conditions égales de température, de pression, etc. Ceci permet de déterminer sa constante de solubilité, écrite Ks, suivie de la première du minéral : KsC pour la calcite, KsD pour la dolomite, etc.

45- La dissolution incongruente de la dolomite : le sel le moins soluble est la dolomite (CaMg(CO3)2). Sa précipitation est impossible dans des conditions naturelles et normales de température et de pression, ce qui est le cas des milieux de dépôt à travertin non hydrothermaux. Les seuls sels susceptibles de précipiter sont les carbonates de magnésium (nesquéhonite (MgCO3.3H2O), hydromagnésite (3MgCO3.Mg (OH)2.3H2O), selon les conditions du milieu de dépôt) et les carbonates de calcium (aragonite, calcite : CaCO3). Les deux premiers sels sont beaucoup plus solubles que la calcite par exemple. Ainsi, la solution peut elle être sous saturée en dolomite et précipitée simultanément la calcite : ce phénomène est connu sous le nom de dissolution incongruente de la dolomite. C'est en grande partie grâce à cet effet que les régions dolomitiques présentent très souvent de nombreux dépôts de travertins, car de façon tout à fait théorique, les eaux qui proviennent de telles régions sont les plus aptes à favoriser les phénomènes de précipitation.

46Mais, ceci n'est qu'une tendance générale qu'il faut nuancer. L'analyse des calcimétries fait apparaître tant sur les formes fossiles qu’actuelles, que tous les échantillons contenaient une proportion relativement faible de magnésium, mais toujours présentes.

47Quoiqu'il ne soit pas exclu que l'on puisse obtenir du CaCO3 pur ou quasi pur, ces calcites magnésiennes d'origine organique ont une composition qui correspondent à une formule du type : Ca1-x Mgx (CO3). Selon divers auteurs [MUXART et BIROT, 1977], on obtient successivement, du fait de la plus grande solubilité des composés magnésiens, une précipitation de Ca2+ pur, puis une calcite légèrement magnésienne (2 %), puis une calcite fortement magnésienne (12 %).

48Cependant, tant que la proportion de MgCO3 demeure comprise entre 0 et 6 %, les calcites magnésiennes ont une solubilité très proches de celle de la calcite pure.

B) Les calculs théoriques

49Compte tenu de la cinétique du système calco-carbonaté, il est possible de modéliser les différents équilibres d'une eau et de les comparer à ce qu'ils seraient dans une solution idéale. Trois séries de calculs peuvent contribuer à cette modélisation : le pH à l’équilibre théorique, le calcul de la pCO2 équilibrante de la phase minérale, et les indices de saturation par rapport à un sel déterminé.

1°) Le pH à l'équilibre théorique

50Il existe plusieurs formules très proches les unes des autres, dont nous avons sélectionné trois exemples. Comme ces calculs sont utilisés par mieux appréhender les phénomènes de saturation, nous les avons portés dans le texte et non en annexe. Les termes figurant entre crochets signifient l'activité ionique de l'ion considéré. Les termes entre parenthèses représentent les concentrations des éléments considérés. On se reportera à HOFFMANN et PELLEGRIN [1996] pour le détail de ces calculs.

2°) La pCO2 équilibrante

51Il est possible de déterminer la pCO2 équilibrante à partir du pH de la solution et de sa teneur en ion HCO3-. La pCO2 est exprimée le plus souvent en % d'atmosphère. Ce calcul permet alors de comparer les pCO2 entre elles, indépendamment des différences de pression et de température des conduits.

52Si l'on dispose de valeurs de CO2 dissous, il est possible de calculer la pCO2 correspondante à cette quantité.

3°) Les indices de saturation

53Ces indices sont en fait une comparaison entre le produit de solubilité de l’espèce cristalline concernée, et les concentrations (plus exactement les activités ioniques) des ions qui la constituent [WHITE, 1988 et DREYBRODT, 1988 ; in FAGUNDO et al., 1996]. Ces indices ont été mis ou point par BACK et al., [1966].

54- Des indices théoriques et tendance à la précipitation : ces indices n'ont qu'une valeur indicative sur la saturation des eaux, surtout aux alentours de l'équilibre. Néanmoins ces "états" théoriques de l’eau sont souvent corrélés avec les phénomènes naturels (saturation/sursaturation/précipitation/dépôt de carbonates).

55Il est possible de faire varier la nature du minéral et donc de l'indice. FAGUNDO et al. [1996] proposent plusieurs indices en fonction de la dolomite (ISd ou RSd) et du gypse (ISg ou RSy). Même si l'on sait qu’il n'est pas possible pour la dolomite d’être déposée dans les conditions actuelles, elle représente alors une tendance de la solution à la saturation par rapport à cet élément. Sur notre terrain, les valeurs de ISd correspondent toujours à des secteurs de très fortes saturations (forte valeur de l'ISc).

56KRAWCZYK [1997] donne une autre variante de l'indice de saturation par rapport à la calcite ou SIc (saturation index of calcite ; nous renvoyons à cet article pour les différents calculs intermédiaires) :

57MISEREZ [1970] donne différents indices de saturation, dont les calculs sont basés sur les travaux de ROQUES [1964] et de BACK et al. [1966]. Il s'agit des indices de saturation de la calcite, de l'aragonite, de la dolomite et de la nesquéhonite.

58Le point faible de la plupart de ces indices est qu'ils reposent sur des produits de solubilité établis en laboratoire sur des solutions idéales. Il s'agit très souvent de la dissolution du minéral dans des solutions idéales, c'est-à-dire de l'eau pure dont on a fixé au préalable les principaux paramètres (température, pH, pCO2, etc.). Malheureusement, les eaux incrustantes sont loin de ressembler à ces solutions idéales et comportent très souvent des agents pouvant exercer un principe inhibiteur de la précipitation de la calcite. Il faudrait pouvoir alors tenir compte de très nombreux paramètres en même temps, et non étudier la saturation par rapport à une espèce minérale déterminée. Il est clair que ce type d’approche est forcément très complexe, surtout si l'on doit tenir compte des interactions bio-minérales. Ainsi, faut-il mieux considérer ces indices comme des potentialités du milieu à réaliser telle ou telle condition de saturation. Ces potentialités ne se traduisent pas systématiquement par des phénomènes de précipitation, et a fortiori, de dépôt.

59- Une nécessaire mesure du pH sur le terrain : enfin, que ce soient les calculs d'indices ou de _pH, ils nécessitent une mesure de pH de terrain de très grande précision pour conserver leur qualité, ce qui n'est pas toujours facile à réaliser in situ. De très petites variations de cette mesure semblent influencer sensiblement ces calculs. Il est obligatoire de la mesurer sur le terrain, ainsi que l'ensemble du système calco-carbonaté, et d'obtenir des valeurs de pH au 1/100e d'unité avec la meilleure précision possible (TARRISSE, comm. orale).

C) Les facteurs favorisant les mécanismes de précipitation

60Très schématiquement, ces facteurs peuvent provenir de trois origines différentes, mais leur interconnexion est très forte.

1°) les facteurs de nature chimique

61- Le rôle fondamentale de la pCO2 équilibrante : la dynamique du système calco-carbonaté est complexe, mais il apparaît que le facteur fondamental de la précipitation tient dans le déplacement plus ou moins rapide des chaînes réactives du système. En particulier, c'est au niveau de la troisième chaîne que s'amorce la précipitation et son déclenchement. Le rôle de la pCO2 équilibrante est fondamental. Sa cinétique est très rapide, quasi-instantanée, et le basculement brutal d'un équilibre à un autre qu'elle provoque entre la deuxième et la troisième chaîne, entraîne une précipitation, voire un dépôt si les conditions sont réunies. Ce dépôt doit être alors considéré comme une tentative de retour à l'équilibre entre phase gazeuse et phase minérale. Ce moteur joue un rôle prépondérant dans la dynamique de certaines sources (cf. source du Moulin Farfal, chapitre 9). Il faut considérer cette dynamique dans l'espace et dans le temps. En effet, si l'évasion du CO2 est instantanée, le déplacement des équilibres demande plusieurs minutes, temps pendant lequel l'eau continue de circuler.

62Ceci explique que dans une dynamique de dégazage, on obtient très rarement, au droit de la source, une précipitation immédiate de carbonates. Ceci peut être le cas dans l'hypothèse de phénomènes très brutaux, de type hydrothermaux, où dégazage et refroidissement des eaux vont de pair pour accélérer la vitesse des mécanismes. Ceci est d'autant plus vrai que la source est minéralisée. Mais cette cinétique fait appel à des mécanismes encore plus complexes [BAKALOWICZ, 1988, 1990, sur l’hydrothermalisme des Corbières, par exemple, 1996 sur les karsts thermo-gazeux], et sort du cadre de notre terrain.

63Cependant, cette dynamique joue un moins grand rôle dans les eaux très dégazées de surface (pH > 8). Là, les quantités sont tellement faibles, que le CO2 ne joue plus de rôle équilibrant face à la phase cristalline. On se retrouve alors dans une situation de saturation permanente, sans qu'elle entraîne pour autant une précipitation et des dépôts. BAKALOWICZ implique l'état de métastabilité de la calcite, mise en évidence par ROQUES [1964] et non un principe inhibiteur.

64- L’importance de l’agitation : cette dynamique est alors soumise à d'autres conditions de nature diverse : hydrodynamique (écoulement laminaire, chute d'eau, cascades, cascatelles, etc.), organique (présences d'organismes bio-incrustants), chimique (possibilité de mélange des eaux, d'apports en carbonates divers, etc.). Il est vrai que les eaux de surface conservent pendant un temps assez long l'effet mémoire de leur état antérieur (endokarstique) invoqué par BAKALOWICZ, et qui fait que leur minéralisation carbonatée n'est plus en accord avec leur pCO2 dégazée de surface. C'est sûrement le plus bel effet de la dynamique différentielle du système calcocarbonaté et l'un des préalables les plus importants à la précipitation.

65-La proportion de magnésium : l'un des autres facteurs tient dans la minéralisation et la composition des eaux incrustantes. A l'échelle du bassin de la Dordogne, les faciès des eaux incrustantes sont relativement homogènes. Ce sont des eaux bicarbonatées-calciques, très pauvres en sulfates et faiblement magnésiennes. Dans un tel cadre, les ions Ca2+ et HCO3- représentent très souvent plus de 90 % de la minéralisation globale. BAKALOWICZ remarque que le magnésium est très souvent associé aux phénomènes de précipitation, par l'effet d'ion commun. Dans ce cas, le magnésium ne joue qu'un rôle indirect dans la précipitation.

66Des auteurs comme PICKNETT [1972] et MUXART [1981] ont montré que l'introduction d’ions Mg2+ modifie les paramètres de solubilité du calcium selon les proportions mises en jeu, même à de faibles proportions. L'introduction d'ions Mg2+ se traduit par une légère baisse de l'indice de saturation autour de 3 à 4 % de magnésium jusqu'à 7 % (soulignant une plus grande solubilité de la solution). Puis, très rapidement, l'indice remonte et ne cesse de croître au fur et à mesure que la proportion d'ions Mg2+ augmente, ceci à température constante, et sur des solutions ne contenant que du CaCO3.

67A ce moment là, l'arrivée d'eaux légèrement magnésiennes pourrait à la fois provoquer un effet d'ion commun (apport de calcium supplémentaire) et modifier la solubilité d'ensemble de la solution. Cette situation jouerait alors un rôle important dans le cas des eaux dégazées, dans le cadre d'une dynamique de mélange des eaux. Cette situation pourrait être d'autant plus amplifiée que le mélange s'effectue avec des eaux très minéralisées. Ce rôle très important joué par le magnésium nous a amené à le faire figurer en proportion au sein de l'ensemble des carbonates dans les grilles hydrochimiques.

68En outre, pour BAKALOWICZ [1990], les eaux bicarbonatés-calciques n'entraînent souvent que des précipitations faibles et des encroûtements locaux et minces. Nous réfutons complètement cette affirmation, car c'est l'ensemble des travertins du Périgord-Quercy qui est issu de ce type d'eau. Une source comme celle de Cadouin, très pauvre en magnésium (de 1 à 6 % seulement du total des carbonates) présente à la fois des formes très saines d'encroûtements et des vitesses très rapides [de l'ordre de 6 mm par an ; HOFFMANN, 1998].

69- Le cas des eaux magnésiennes : les eaux magnésiennes de certains secteurs (jusqu'à 25 % en proportion) sont relativement rares, et sont en tous cas plus rares que la fréquence des dépôts de travertins. A la différence du Roussillon, de la Provence et du Languedoc, les secteurs dolomitiques sont absents du Périgord et très limités en Quercy. Le gypse est complètement absent des zones étudiées.

70Ce que semble avoir oublié cet auteur, c'est que les phénomènes de saturation reposent à la fois sur des compositions chimiques déterminées (importance de l'ion Mg2+), mais également sur de fortes minéralisations carbonatées. Dès que les eaux dépassent 250 mg de CaCO3, les phénomènes de saturation surviennent relativement rapidement, quelle que soit la composition de l'eau. Il ne faut pas alors envisager les phénomènes de saturation uniquement dans un cadre d'eaux hypermagnésiennes, ou sous le seul effet d'ion commun dans le cadre d'eaux sulfatées calciques magnésiennes. Il se peut fort que de telles situations amplifient et intensifient les mécanismes de précipitation, mais ils ne jouent qu'un rôle local en Périgord-Quercy (eaux légèrement magnésiennes du bassin du Céou).

71- Des eaux incrustantes nécessairement minéralisées : très fréquemment, les eaux incrustantes sont très minéralisées, c'est-à-dire avec une conductivité à 25°C comprise entre 500 et 700 μS/cm/cm2. C'est le cas en Provence, dans les Corbières, dans les Alpes et des autres régions dont nous disposons de données. Le mélange d'eaux minéralisées provoque alors une déstabilisation du système de nature chimique, ce principe pouvant fonctionner parfaitement jusqu'à une certaine mesure.

72Cette action d'accroissement régulier de la minéralisation carbonatée des eaux ou du maintien d'une certaine minéralisation au-dessus d'un certain seuil qui reste à déterminer de façon précise, pourrait jouer un rôle non négligeable dans le maintien sur de grandes distances (plurikilométriques) de conditions de précipitation et de dépôt. Ce seuil pourrait se situer aux environs de 200 à 250 mg/l de CaCO3. En outre, par la précipitation, la minéralisation des eaux de surface tend à diminuer. Or, l'arrivée d'eaux provenant du karst amène alors en quelque sorte une recharge minérale, permettant le maintien ou la réactivation des conditions de saturation et de dépôt.

73Enfin, le système reste soumis aux variations de température. De façon globale, la solubilité de la calcite diminue au fur et à mesure qu'augmente la température, toutes conditions étant identiques par ailleurs. L'amplitude des variations de température, qui joue également sur les phénomènes de dégazage est un facteur important dans l'étude des eaux de surface notamment.

2°) les facteurs de nature physique

74Ces facteurs concernant principalement les modalités d'écoulement des eaux. MAZET [1988, 1991] a montré que les rythmes d'encroûtements varient spatialement sur un barrage, beaucoup plus importants sur les crêtes et les plateaux des barrages, plus faibles au pied des barrages. Il a montré également comment l'agitation de l'eau au pied des barrages permet de réaliser les conditions de saturation nécessaires à la précipitation, mais qui n'intervenait que sur le plateau du barrage suivant en fonction de l'écoulement des eaux et ainsi de suite. L'agitation issu de l'écoulement en cascades des eaux est un facteur accélérant ou déclenchant la germination des cristaux de calcite par une meilleure oxygénation du milieu [ROQUES, 1964 ; MARTIN, 1991]. L'écoulement laminaire des eaux sur le plateau est là aussi un facteur accélérant la précipitation [BAKALOWICZ, 1988].

75- Des conditions hydrodynamiques propices à la travertinisation : les modalités d'écoulement des eaux sont sans conteste un facteur important de mise en place et de conservation des formes.

76En effet, les fortes variations hydrodynamiques ne sont pas propices à la conservation des formes. MARTIN [1988] montre que la plus grande variabilité de certaines sources de la Sainte Baume correspond à l'absence de dépôt et réciproquement, à minéralisation proche. L'érosion l’emporterait sur le dépôt, et le bilan entre les deux serait négatif. Il est vrai que les phénomènes d'érosion actuels et passés semblent plus sensibles dans le Sud-Est de la France qu'en Aquitaine. Il ne faut pas en conclure cependant que les sources ne déposant pas présentent un bilan négatif et celles qui déposent un bilan positif, pour un même massif. Les phénomènes de dépôt sont complexes et soumis à d'autres paramètres non karstiques (biologiques notamment).

77-La turbidité : un frein à l’évolution des formes de dépôt : cette notion de bilan érosion/sédimentation est importante notamment pour les formations de vallée et les grosses émergences. Elle peut être également un bon facteur explicatif de l'intensité de fonctionnement de certaines petites sources (bilan érosif très faible). De plus, la turbidité de certaines eaux joue un rôle direct sur l'implantation et la vie des bio-organismes incrustants [VAUDOUR, 1986]. Elle peut représenter un facteur important de mort des biohermes et de l'arrêt des phénomènes de précipitation des carbonates par ces organismes bio-constructeurs [ADOLPHE, 1981 ; CASANOVA, 1981, 1986].

Photo 3-1 : Cascades d’Autoire en été (hauteur de la chute : 60 m). Cette chute travertineuse présente d’importants faciès à mousse, dont certains blocs se sont détachés. Cette chute provient du mélange des eaux peu minéralisées provenant du Lias, et d’une source incrustante située à 30 m de cette chute (cliché : F. HOFFMANN).

Photo 3-2 : Cascades d’Autoire en hiver. Même échelle. On note très bien l’incision des dépôts vraisemblablement d’âge Holocène, qui apparaissent devant la base de la chute d’eau (cliché : F. HOFFMANN).

78La vitesse et la hauteur de la lame d'eau sont aussi des facteurs déterminants. Ils influencent à la fois l'implantation des organismes incrustants (conditions d'éclairage, de température et d'oxygénation du milieu), déterminent le renouvellement et l'agitation des eaux. Dans l'ensemble, les encroûtements les plus importants ont tendance à se former sous des écoulements de faible épaisseur et relativement rapides.

3°) les facteurs de nature biologique

79- Un rôle actif des organismes vivants : nous partons du principe que les organismes biologiques présents dans tous les dépôts de tufs que nous avons vu jouent un rôle plus ou moins actif dans la construction des édifices travertineux. Pour certains auteurs, les bio-organismes ne servent uniquement que de supports aux encroûtements. Pour eux, la précipitation et le dépôt sont purement physico-chimiques et rien ne prouve que cette flore joue un rôle actif [BAKALOWICZ, 1988]. Cet auteur voit notamment dans la signature isotopique (13C) de certains carbonates une origine purement chimique. En effet, les systèmes vivants ont la propriété de choisir l'isotope le plus léger (12C) au détriment du plus lourd (l3C), alors que les phénomènes physico-chimiques se comportent de façon inverse. Dans le cas de précipitation d'origine organique, les résultats isotopiques doivent se situer dans une fourchette de-13 à-25 % PDB. Or les mesures pratiquées sur les travertins des Corbières par BAKALOWICZ [1988] donnent des valeurs plus riches en isotope lourd (de - 13 à-1 1 %, et-9 à-3,5 % PDB).

80Cependant, un certain nombre d'échantillons est à mettre en relation avec des mécanismes de formation d'origine hydrothermale où les phénomènes physicochimiques (apport de CO2 d'origine profonde) peuvent jouer un rôle plus important que dans le cas de travertins plus "classiques". L'absence de séries de données isotopiques provenant d'échantillons issus de milieux de dépôt bien différents doit nous inviter à la plus grande prudence.

81Bon nombre de travaux sont venus apporter différents éclairages, notamment sur la microflore algaire et bactérienne [ADOLPHE, 1981 ; CASTANIER, 1987]. Le fait que l'on puisse reproduire une biocristallogenèse in vitro, en laboratoire, doit nous faire penser qu'elle est possible également dans des conditions naturelles. Il est vrai que les systèmes naturels ne sont pas faciles à reproduire en laboratoire, et il n'est pas toujours évident d'y cerner les responsabilités réciproques des différents acteurs.

82Nous pensons notamment que cette microflore joue un rôle fondamental, mis en valeur par les calcimétries, et en particulier la très forte affinité entre certains faciès et leur composition magnésienne (faciès à mousse).

83- Une activation des processus de dépôt : le rôle des bio-organismes est souvent d’activer les processus, parfois dans des domaines où la précipitation est limite à réaliser. C'est le cas de certains encroûtements racinaires que nous avons constaté dans certaines entrées de grottes où les conditions de saturation chimiques étaient très limites et très variables. Par exemple, dans le cas de la Grotte Devigne, l’échantillon montre une nette sous saturation en carbonates en fin d'été (ISc négatif :-0,22). Cette dernière est une vraisemblable conséquence d'un dépôt endokarstique confirmée par les spéléologues et d’une moins grande minéralisation carbonatée des eaux du secteur, confirmée également par le dépôt de Sourzac. Les encroûtements actuels présents dans l'entrée de la Grotte Devigne sont édifiés et protégés par le réseau racinaire des mousses (teneur magnésienne plus élevée que la normale pouvant indiquer des mécanismes différents (association micro/macro organismes originale). Mais restons très prudent sur cette interprétation, en l'absence de données plus solides sur l'hydrochimie de cette source et sur ce type d'encroûtement.

84La biocristallogenèse est complexe dans les détail et nous renvoyons à la littérature spécialisée pour sa description. De façon très schématique, cette action se souligne par une déstabilisation du milieu physicochimique, par l’absorption ou le rejet d'un élément chimique, provoquant une modification du pH. Il peut s'agir de l'absorption du CO2 par les organismes chlorophylliens ou du rejet de composés basiques par certains organismes bactériens.

85- Un rôle plus évident de la flore : il existe en tous cas un rôle support indéniable et il suffit de constater la colonisation des barrages travertineux par la flore incrustante pour s'en rendre compte.

86Cette flore modifie également les conditions d'écoulement des eaux, en les séparant en de multiples filets. Cette action permet d'abaisser la profondeur des eaux et de multiplier la surface de contact eau/organismes. Cette conséquence favorise alors les échanges et les conditions de saturation. Si l’on ajoute le rôle des micro-organismes qui augmentent également cette surface de contact eau/organismes, cette action est alors amplifiée. Cette action de déconcentration des eaux permet également leur réchauffement ou leur refroidissement plus rapide selon la saison. Le ralentissement de l'eau provoque également une certaine oxygénation par la multiplication des obstacles naturels à différentes échelles.

87De plus, la croissance des biohermes favorise le développement des chutes d'eau en exhaussant petit à petit la hauteur du barrage. On sait que ces chutes permettent la germination des cristaux de calcite par l'accroissement des turbulences.

88Au total, toutes ces influences chimiques, physiques et biologiques doivent être abordées comme des tendances, concourant à la saturation. Elles s'emboîtent sur différentes échelles d'espace et de temps, et sont parfois indissociables (difficulté de déterminer la part respective de chaque action).

D) Les facteurs gênant les mécanismes de précipitation

89Nous avons évoqué tout au long de cette présentation des facteurs favorisant les phénomènes de précipitation, certains mécanismes pouvant exercer une action antagoniste ou présentant des mécanismes réversibles. Les eaux de surface représentent un milieu ouvert soumis à de multiples influences pouvant inverser les équilibres du système calco-carbonaté.

90Il s'agit principalement de mécanismes chimiques, hydrodynamiques ou affectant la croissance des organismes bio-constructeurs. Nous ne reviendrons pas en détail sur ces mécanismes déjà présentés.

91- Le principal facteur limitant : la turbidité : cependant, il nous semble que certains facteurs jouent un rôle plus important que d'autres, ou, plus précisément, qu'ils sont susceptibles de jouer un rôle important. Parmi ces mécanismes, la notion de turbidité des eaux apparaît comme très importante car elle agit à deux niveaux :

92- d'une part, elle engendre la mort de certains organismes constructeurs relativement fragiles en bloquant la photosynthèse ;

93- d’autre part, elle exerce une action érosive, mécanique, en détruisant les encroûtements ou en gênant leur fixation. Nous couplons volontiers à cette notion de turbidité celle de variabilité des écoulements avancée par MARTIN [1988], affectant principalement les karsts bien développés comme ceux des causses jurassiques en Quercy. L'important colmatage des formations crétacées périgourdines permet d'éviter de retrouver une situation similaire dans ce secteur. Variabilité des écoulements et action érosive représentent cependant plus un frein qu'un inhibiteur de la précipitation, agissant à des degrés divers selon les systèmes travertineux.

94- La métastabilité de la calcite : toujours à un niveau chimique, la métastabilité de la calcite, mise en exergue par les expériences de ROQUES [1964] peut également jouer un rôle important, car elle est susceptible d'intervenir dans tous les systèmes de dépôt. En l'absence d'action érosive antagoniste, le fait de constater des encroûtements de faible importance inadaptés aux saturations des eaux pourraient trouver un début de réponse dans ce mécanisme. Cette action est en plus susceptible de durer suffisamment dans le temps, et donc dans l'espace. Elle pourrait concerner alors les eaux de minéralisation carbonatée moyenne à l'échelle du secteur (200 à 250 mg/l de CaCO3).

95L'autre intérêt d'un tel mécanisme est que de façon indirecte, il peut néanmoins préparer les eaux à la précipitation. Il suffit alors d'une arrivée supplémentaire de CaCO3 pour que le système s'inverse à nouveau et précipite. Nous pensons ici à l'influence que pourraient exercer alors certains dépôts de grèzes sur la réactivation des mécanismes de précipitation (arrivée d'infiltrats relativement carbonatée, annexe 3). Mais il s'agit encore pour l'instant que d'une hypothèse de travail.

96Certains auteurs comme MARTIN (1988, 1991), déterminent la part de Ca2+ complexé. Il s'agit d'éléments ne rentrant pas dans la constitution de la calcite précipitée. Plus cette part est importante, et plus les phénomènes de précipitation diminuent. Cette calcite complexée proviendrait alors de certaines substances inhibitrices comme certains polluants notamment ou serait soumise à un fonctionnement biologique (croissance printanière et décroissance hivernale pour évoquer éventuellement un rythme de nature biologique. Cependant, les valeurs constatées par cet auteur, à quelques exceptions près, demeurent faibles et ne peuvent rendre compte de la diminution généralisée de la précipitation constatée sur l'ensemble du bassin dans la région étudiée.

97D'autre part, la méthode de mesure employée est loin de faire l'unanimité et pose d’évidents problèmes de mise en pratique. Pour BAKALOWICZ [1988], la métastabilité de la calcite suffirait amplement à rendre compte de certaines inhibitions de la précipitation, sans avoir à faire intervenir de agents polluants et complexants. Nous avons donc décidé de ne pas tenir compte de cette mesure.

98- L’action inhibitrice des pollutions : de la même manière, certains auteurs comme CASANOVA [1986] avance l'hypothèse de l'action inhibitrice de certains polluants pour expliquer le freinage ou l'arrêt des mécanismes de précipitation. Elle concerne l'action des phosphates (PO43-) sur certaines algues microscopiques (Cyanophycées), et dans une moindre mesure des nitrates. Cette inhibition gênerait alors la germination des cristaux de calcite qui se forment au contact de ces organismes. Cette hypothèse est loin de faire l'unanimité mais pourrait peut être dans certains cas s'ajouter à d'autres mécanismes inhibiteurs. Il nous faut reconnaître qu'il est difficile d'expliquer alors la présence d'encroûtements frais à la source de Rouffillac alors que cette dernière présente une teneur importante de 1,65 mg/l de PO43- (mesure ponctuelle).

99L'anormal développement des hydrophytes de cette source semble en plus souligner que cette situation est loin d'être accidentelle, et qu'elle caractérise l'arrivée plus ou moins régulière d'effluents ménagers (teneurs en phosphates, sodium et potassium très fortes, et à un niveau moyen pour les nitrates). De même, la plupart de sources incrustantes présentent une contamination par les nitrates relativement importante (Bouzic, niveau moyen proche de 10 mg/l de NO3-, Moulin Farfal, entre 10 et 15 mg/l), alors que les mécanismes d'encroûtements semblent encore relativement intenses.

100Il semble alors, et là aussi il s'agit d’une hypothèse de travail, que l'action de ces polluants surtout sur les fortes doses que l'on peut mesurer ponctuellement sur certains sites, pourraient alors modifier la nature et la composition des encroûtements (teneur en Mg2+ supérieure à la normale des encroûtements de source constatée à Rouffillac). La couleur très sombre de ces tufs contraste fortement avec la couleur crème des encroûtements de sites non ou peu pollués. Mais nous manquons de données analytiques pour étayer cette hypothèse.

3.1.2 - METHODOLOGIE HYDROCHIMIQUE D’ETUDE DES TRAVERTINS

101L'hydrochimie appliquée à l'étude des tufs ne requiert pas de méthodes particulières autres que celles employées habituellement dans l'étude des eaux karstiques. Nous nous bornerons ici à un rappel des méthodes employées, en séparant celles appliquées au système calco-carbonaté de celles appliquées aux autres éléments.

A) Les méthodes d'analyses

102Cette présentation peut être séparée en deux, en débutant par la présentation des méthodes appliquées aux éléments et paramètres du système calco-carbonique. Nous renvoyons à HOFFMANN et PELLEGRIN [1996] pour le détail.

B) Les critères d'analyses

103On peut séparer en trois temps l'approche d’un système travertineux : le suivi spatial et diachronique des éléments chimiques, la mesure des conséquences de la morphologie des barrages ou des chutes sur le fonctionnement hydrochimique, et l'enregistrement des rythmes sédimentaires par l'approche des baguettes.

1°) Le suivi spatial et diachronique des éléments

104C'est l'approche la plus "classique" que l'on peut faire d’un système karstique ou travertineux :

105- une précipitation amont-aval : par le suivi spatial, il est possible de mesurer la "santé" du système, c'est-à-dire d'évaluer le bon fonctionnement du système concernant la dynamique des carbonates. Intensité et rythme saisonnier de dépôt peuvent être calculés entre plusieurs points d'un système, en mesurant les différences de carbonates précipités entre deux points, par exemple. On part alors du principe que la tendance d'un cours d'eau travertineux est de déposer d'amont en aval le maximum de carbonates. Pour vraiment enregistrer ce dépôt en continu, il faudrait effectuer une approche séquentielle spatiale très rapprochée, c'est-à-dire, effectuer une mesure à chaque fois que le cours d'eau subit une influence par mélange, pertes, infiltrations diverses, etc. Ceci est réalisable dans la mesure où l'espace entre 2 points est suffisamment grand pour que l'on enregistre une différence.

106Cette distance peut être plus courte si les phénomènes sont intenses. Ce séquentiel représente le même type d'approche que la mesure en continu dans le temps d'un élément particulier. A défaut de le mesurer en continu, on effectue alors un séquentiel rapproché le plus fin possible afin d'en saisir toutes les nuances de fonctionnement ;

107En dehors d'un séquentiel rapproché, il faut être prudent. La différence de carbonates enregistrée entre deux points ne signifie pas nécessairement qu'elle représente la quantité de carbonates précipitée. Entre ces deux points, d'autres eaux peuvent arriver et se mélanger, pouvant changer la physionomie carbonatée du système travertineux. Ceci est particulièrement vrai dans des bassins versants non homogènes du point de vue de la lithologie. Nous avons vérifié que les bassins auxquels nous avons appliqué cette méthode soient le plus homogènes de ce point de vue là ;

108- Les problèmes liés à deux points trop éloignés : même en cas de bassins homogènes, cette méthode pose des problèmes pour des points très éloignés l'un de l'autre, car il peut y avoir de multiples changements et mélanges d'eaux. Dans ce cas, on peut interpréter la différence en carbonates entre deux points éloignés comme un potentiel de précipitation à un instant t. Il faut bien sûr que la tendance générale du cours d'eau se marque par une diminution des carbonates de l'amont vers l'aval. Si ce n'est pas le cas, cela signifie que les mélanges l'emportent sur le dépôt et que leur influence ne permet pas d'enregistrer une différence nette entre deux point ou que le cours ne dépose pas ou peu ;

109- avec une telle approche, il faut constamment garder à l'esprit deux aspects :

110* d'une part, on passe à un instant t faire une mesure et en l'absence d'enregistrement en continu, on ne peut avoir une carte précise du fonctionnement d'un cours d'eau dans ce domaine. Il faut s'imaginer un système de dépôt pouvant varier en l'espace de quelques heures compte tenu du moment où l'on se situe dans l'après-midi, dans la journée, dans le mois ou dans la saison. Il existe de fortes présomptions pour qu'à tous ces niveaux de temps, on puisse enregistrer des changements. Ceci serait à l'image des différents phénomènes que l'on peut enregistrer d'un système hydrochimique en général où certaines variations sont de l'ordre de quelques heures seulement, voire inférieure à l'heure dans le cas de crues par exemple.

111A cela, on peut ajouter que pour un système interconnecté avec la flore, il peut y avoir des différences de cycles diurnes/nocturnes, pouvant avoir des conséquences directes sur la saturation (comportement des bio-organismes par rapport au CO2, par exemple). Mais ceci est encore à démontrer.

112* d'autre part, il faut tenir compte de la précision des méthodes employées sur le terrain qui ne permettent pas de disposer d'une précision inférieure à 3 mg/l de CaCO3. Enfin, on considère alors que la totalité des carbonates contenus dans la différence entre deux points est précipitée et que, pour une large partie d'entre-elles, elle contribue au dépôt.

Figure 3-2 : Morphologie d'un barrage travertineux actuel et ses conséquences sur l'hydrochimie des eaux incrustantes (l'exemple de la Coly, à Condat).

Photo 3-3 : Base d’un dépôt récent, vallon du Lamagol, bassin du Lot. Ce dépôt, très actif, présente une couleur très claire. La très grande limpidité des eaux apparaît bien (petit bassin faiblement anthropisé) ; hauteur du niveau : 40 m (cliché : F. HOFFMANN).

Photo 3-4 : “Ruelle” encroûtée de la Sagne, à Cabrerets. La hauteur de ce niveau est de 70 cm. Ce système est très actif et présente des eaux très limpides. A noter le piégeage des feuilles au fur et à mesure de l’encroûtement (cliché : F. HOFFMANN).

113Face à ce type d’approche, c'est toute une réflexion qu'il faut mener par rapport à la représentativité d'un point d’échantillonnage hydrochimique. Ceci est d'autant plus vrai pour les cours d'eau. En effet, que l'on ait affaire à une lame d'eau épaisse de 10 cm ou de 2 m, celle-ci n'est pas affectée de la même façon par le réchauffement ou le refroidissement, la dilution en cas de pluie, le dégazage en CO2, etc.

114On sélectionne un point que l'on juge le plus représentatif possible, présentant le moins de différences entre les points qui le constituent, c'est-à-dire un certain degré d'homogénéité. Ceci n'est pas évident dans un système aussi complexe que l'eau de surface en constante agitation, si faible soit elle dans certains secteurs !

115Ce suivi se compose également des autres éléments non carbonatés dont le comportement spatial est surveillé. Certains peuvent se marquer par une bonne stabilité spatiale comme le sodium ou les chlorures. Leur déstabilisation entre deux points peut alors traduire un accident si celle-ci est isolée dans le temps (crues par exemple), soit que le système subit régulièrement des changements, avec des arrivées d'eaux différentes. Les nitrates, et dans une certaine mesure les phosphates, nous renseignent sur le degré d'anthropisation du système, ainsi que de son potentiel de recyclage naturel. En théorie, on doit constater une diminution de l'amont vers l’aval de la teneur en nitrates ou en phosphates, si le système n'est pas réapprovisionné dans sa partie aval.

2°) Le rôle de la morphologie dans le fonctionnement hydrochimique

116Ce rôle s’explique principalement par le fonctionnement en chute d’un système travertineux. Cette influence peut être enregistrée dans le cadre d'une dynamique de "haut de chute - bas de chute", concernant l'évolution du système calco-carbonaté. Son approche est différente d'un suivi spatial, car il faut que les phénomènes soient relativement intenses pour être enregistrés dans un espace si restreint.

117L'inverse est tout aussi porteur d'informations car cela signifie que ce système connaît une certaine inhibition ou une "mort". Le principal intérêt de ce type d'étude est que les eaux étudiées ne sont pas soumises à des mélanges possibles et peuvent être considérées comme homogènes. A ce moment, les différences que l'on enregistre traduisent les modifications qu'elles subissent.

118Nous nous sommes affranchis de la zonation de fonctionnement spatial étudiée par MAZET [1998, 1991] aux termes desquels, il avait conclu à un fonctionnement différentiel du barrage travertineux, par la méthode des plaquettes calcaires. L’étude de ce type de dynamique est fort intéressante et montre à quel point les notions de vitesse et d'intensité de dépôt sont des notions à relativiser en fonction de l’espace. Ceci complique néanmoins considérablement l’approche que l’on peut faire du fonctionnement des barrages et à ce titre, nous avons sélectionne à chaque fois deux points d’échantillonnage que nous avons conservé par la suite.

119Cette approche du rôle de la morphologie concerne principalement deux types de formes :

120- une morphologie typique des barrages travertineux : il s'agit avant tout des barrages travertineux de cours d'eau dont on retrouve très souvent la même morphologie, indépendamment du terrain (Fig. 3-2) :

121* elle est composée d'un "plateau" situé en arrière du front de chute. Son rôle dans la dynamique hydrochimique de précipitation des carbonates est connu car en étalant les eaux, il contribue à leur réchauffement et à leur dégazage. Il augmente la surface de contact eau/support, et offre de multiples points d'ancrage aux carbonates précipités susceptibles de s’y fixer. C’est le lieu de colonisation privilégiée des algues ;

122* il débouche sur le front de chute proprement dit. En fonction de la hauteur, les mécanismes y sont plus ou moins intenses. Les eaux transitent de façon verticale dans ce secteur et en règle générale, de façon très rapide. Ce type de front peut présenter différentes nuances morphologiques (avec des ressauts multiples), et de nombreuses nuances bio-organiques en fonction des espèces colonisatrices (principalement des mousses dans ces secteurs à écoulement violent en cas de crues ; leur forme évoque celle des pendeloques de la zone tropicale). La chimie des eaux est alors gouvernée par le dégazage en CCF, l’oxygénation du milieu et le déplacement brutal des équilibres chimiques. Ceci explique en partie l’intensité des dépôts dans ce type de secteur et pourquoi certains barrages sont plus longs que hauts, indiquant que le front progresse plus vite que la hauteur du plateau ;

123* au pied du front, se trouve généralement une fosse provenant de l'agitation des eaux, dont l'action morphodynamique concoure plus au creusement dans cette zone. BAKALOWICZ [1988b] indique que c'est dans cette zone que la travertinisation s'accélère à nouveau, car cette agitation est propice à la sursaturation et la précipitation (oxygénation importante). Ces effets se font sentir ensuite sur le plateau du barrage suivant, et ainsi de suite. On compte ainsi 4 barrages terminaux sur la Coly, dans le bourg de Condat sur Vézère, par exemple. Mais certains en comptent beaucoup plus, jusqu'au moment où la précipitation devient impossible du fait de la perte en carbonates, marquant un retour à un certain équilibre de la solution ;

124- La morphologie des dépôts de source : le deuxième exemple concerne une chute d’eau plus grande que celle des barrages travertineux, dans le cadre de la source du Moulin Farfal. Cette chute ne présente pas tout à fait la même physionomie que celle d'un barrage.

125La dynamique d'un système cascadant de source passe par l’étude de la cinétique de dégazage en CO2 des eaux et des quantités de carbonates déposées. Là aussi, du fait de la faible étendue spatiale du système (de l'ordre de quelques dizaines de mètres), on ne peut pas faire intervenir ici une dynamique de mélange des eaux. Elles peuvent être considérées comme relativement homogènes du point de vue de leur origine. A ce titre, on peut estimer alors que les différences en carbonates mesurées entre deux points représentent réellement les quantités précipitées, aux erreurs de mesure près.

126La comparaison entre la zone de la chute d'eau et la zone d'implantation des baguettes sur la même source permet d’effectuer une comparaison très riches d'enseignements et de voir notamment comment la morphologie, en influençant les modalités d'écoulement des eaux, exerce un rôle important sur la dynamique spatiale et saisonnière d’un tel système.

127On trouvera d'importants compléments concernant ces problèmes de morphologie dans MAZET [1988, 1991], ainsi que dans un exemple de morphologie très original [GEURTS, 1997].

3) Les stations d'implantation de baguettes

128Le meilleur moyen de mesurer les rythmes de dépôt reste encore l'implantation de supports artificiels au sein des systèmes incrustants, selon trois modalités :

129- un suivi hydrochimique à 10 jours : ce type de station nécessite un suivi hydrochimique comme n'importe quel autre site, mais dont on peut faire varier le pas de temps. Le suivi mensuel permet de mettre en exergue le fonctionnement karstique de la source et les influences anthropiques qu'elle peut subir ainsi que le reste du dépôt par la mesure des nitrates par exemple. Cette campagne mensuelle se double d'un suivi à 10 jours rythmant le retrait des baguettes. Ce suivi ne concerne que les éléments du système calco-carbonique, permettant de montrer différents rythmes de fonctionnement hydrochimique ;

130- lu nature des supports : l'implantation de divers supports apparaît comme un travail complémentaire au suivi. L'intrusion d'objets métalliques ou au contraire, de supports naturels comme des bambous, permet une approche différente de l'initialisation des dépôts qui est un problème très important. Le retrait à différents pas de temps de baguettes de verre complète cette approche et offre la possibilité de mettre en valeur les différents rythmes de dépôt et leur variation saisonnière ;

131- enfin, cette étude doit être complétée par une approche de la composition des encroûtements obtenus. Le principal intérêt est que leur formation est encadrée hydrochimiquement. et permet de voir si les variations hydrochimiques enregistrées ont une conséquence à la fois sur les rythmes de dépôt et sur leur composition. La comparaison avec deux autres sites d'implantation de baguettes enrichit cette approche, toujours sur des sites de sources, mais présentant une hydrochimie différente de celle du Moulin Farfal.

132En conclusion, rappelons quelques grands traits de la chimie du système CO2-H2O-carbonate :

133- il est marqué avant tout par la cinétique du système le plus lent, c'est-à-dire à l’interface liquide/solide et la formation des carbonates avec les cations divalents (calcium et magnésium, principalement). Le fonctionnement en précipitation de l’ensemble du système est conditionné par la pCO2 équilibrante de la phase minérale. Du fait de la faible pCO2 atmosphérique, toute modification de cette dernière évolue dans le sens d’une diminution et entraîne le déclenchement de la précipitation. Son intensité est fonction de la minéralisation carbonatée du système et des conditions d'agitation du milieu. Ces deux conditions déterminent alors le déclenchement des mécanismes de dépôt ;

134- ce système évolue différemment en fonction du sel considéré. Celui-ci affecte la solubilité d'ensemble du système et diffère selon sa nature. La mise en solution de différents sels entraînent alors une précipitation du sel le moins soluble, si les conditions chimiques d'ensemble le permettent ;

135- le comportement du système calco-carbonaté est modélisable par différents indices de saturation et des calculs de pH, ainsi que de la pCO2 fictive. On peut considérer qu'au delà d'une valeur seuil de 0,7, les phénomènes de précipitation s'enclenchent automatiquement, mais les phénomènes de dépôt restent soumis à d'autres conditions. Au delà, d'une valeur de 1, précipitation et dépôt se déclenchent automatiquement ;

136Les travertins sont des dépôts exokarstiques, et de ce fait, ils subissent les influences des conditions extérieures. Ces facteurs influants sont principalement de trois ordres : de nature chimique (hydrodynamique, dégazage, mélange des eaux, température), de nature physique (variabilité des écoulement, vitesse et hauteur de la lame d'eau), et de nature biologique (activation des processus de précipitation, biocristallogenèse, rôle de support des végétaux). De la même manière, certains facteurs peuvent exercer un freinage de ces mécanismes de précipitation (calcite métastable, par exemple), voire dans certains cas, une inhibition complète du système. Celle-ci reste pour l'instant plus une hypothèse de travail, qu'un fait avéré.

137Enfin, on peut aborder ce type d'étude par une méthodologie complète englobant les techniques de mesure employées habituellement dans l'analyse des eaux karstiques, mais également des outils plus appliqués. La mesure du potentiel de précipitation est le premier d'entre-eux. La mise en place de stations de mesure d'encroûtement, couplée à un suivi hydrochimique assez fin, et doublée par un travail de calcimétries fines, permet de compléter l'approche que l'on peut faire d’un système travertineux.

3.2 - LES TRAVERTINS DE VALLEE : L’EXEMPLE DU SYSTEME DE LA COLY

3.2.1 - PRESENTATION GENERALE DU SYSTEME DE LA COLY

138C'est la forme majeure de la travertinisation actuelle. Mais cette dernière peut présenter plusieurs aspects, tant dans l'intensité des mécanismes de précipitation, que dans les formes de dépôt (encroûtements de fond, barrages travertineux, formes mixtes pouvant inclure des dépôts de source en confluence, etc.). Cette grande richesse répond à la diversité des mécanismes de précipitation mis en jeu.

139A ce titre, nous avons sélectionné deux exemples en Périgord-Quercy, afin d'illustrer cette diversité :

140- en premier lieu, il s'agit du système de la Coly (bassin de la Vézère) que nous avons suivi en hydrochimie sur une période de 24 mois. Ce système de dépôt résulte d'un mélange d’eaux de surface provenant d'un petit cours d'eau et d'une grosse exsurgence karstique. Ces deux types d'eaux proviennent de deux systèmes hydrogéologiques différents. Son suivi relativement long, nous a permis d'appréhender sa dynamique saisonnière et peut nous servir de référence pour l'étude des autres systèmes. Ce suivi est basé sur 7 points d'échantillonnage ou sites comprenant à la fois la dynamique de mélange des eaux (3 sites), mais également l'hydrodynamique des barrages travertineux actuels du bourg de Condat (4 sites). Notamment, 2 sites correspondent à l'approche de la dynamique "haut de chute-bas de chute" ;

141Chaque système est donc décomposé en plusieurs points de mesure ou sites. L'étude de chaque site comporte 4 graphes (Fig. 3-4 et suivantes) :

142- le premier compare les courbes de calcium et de bicarbonates au débit. Il permet une approche d’ensemble du point considéré tout au long de la chronique, sur les deux éléments qui représentent 90 % de la minéralisation ;

143- le deuxième et le troisième concernent plus particulièrement les phénomènes de saturation, avec notamment pour le deuxième, les courbes de proportion de magnésium dans les eaux et de l'indice de saturation par rapport à la calcite (ISc).

Figure 3-3 : Débit du point “Station” et situation des campagnes hydrochimiques mensuelles (années 1994 à 1996), lors des périodes de crues, le terrain est impraticable, d’où l’absence de campagne pendant ces périodes.

144Nous avons reporté systématiquement sur ce graphe des droites repères, permettant de séparer les notions de sous saturation (> -0,1), d'équilibre (entre -0,1 et 0,1) de saturation (entre 0,1 et 0,7), de sursaturation (entre 0,7 et 1) et éventuellement de sursaturation précipitante (> 1). Le troisième graphe recouvre l'étude du pH et de la température et sert de complément au deuxième ;

145- le quatrième regroupe toutes les autres informations complémentaires, à l'exception de la conductivité. Ce graphe comprend les courbes du magnésium, de la somme sodium+potassium pour les cations, et des chlorures, des sulfates et des nitrates pour les anions. A cela peut s'ajouter éventuellement la courbe des phosphates. Toutes ces courbes nous renseignement sur la dynamique du point de mesure, ces influences naturelles, mais également les influences anthropiques.

146L'ensemble de ces 4 graphes représente une première approche du système que l'on peut qualifier de "séquentielle", point par point, élément par élément. A cela, on peut ajouter une deuxième série de graphes propres à l'étude de l'intensité de la précipitation du CaCO3 entre deux points. Elle permet alors de mieux saisir l'intensité des phénomènes, à la fois dans le temps et dans l'espace. Ces graphes comportent deux séries de données : il s'agit d’abord de deux diagrammes à barres récapitulant l'intensité de l'ISc et du pH entre deux points (sous la forme de différences entre les valeurs de ces deux points). Puis vient un autre diagramme à barre montrant les quantités de CaCO3 précitées, calculées à partir du calcium (nous reviendrons en détail sur les calculs exactes de tous ces indices). La différence entre deux points permet de mesurer l’évolution spatiale d’une zone du système (chaque double barre), l'ensemble des barres permettant l'évaluation du fonctionnement spatiotemporel de cette même zone.

3.2.2 - ETUDE DU FONCTIONNEMENT DE LA COLY

147On peut donc décomposer l'approche du fonctionnement de la Coly en deux temps, avec tout d'abord l'approche élément par élément, site par site, du système, puis dans un deuxième temps, l'évaluation de la dynamique travertineuse proprement dite. Pour se faire, on tiendra compte également du recalage nécessaire des différentes chroniques mensuelles, reportées sur la courbe de débits du point Station (Fig. 3-3). Ceci permet de savoir dans quelle situation hydrologique se trouve le système étudié (source, cours d'eau, etc.) et peut amener dans certains cas, une explication complémentaire à certains phénomènes constatés (par exemple, effet de dilution des eaux de surface, en période de hautes eaux).

Figure 3-4 : Les principales caractéristiques physico-chimiques du site COLY, (Q : débit du site STATION)

A) Physico-chimie de la Coly-Chironde (bassin aval) : un cas intéressant de mélange des eaux

148Avant d'entamer l’étude, il est nécessaire de revenir sur quelques données relatives au contexte hydrogéologique général du système de la Coly-Chironde.

1°) Les éléments du cadre naturel et les points d'échantillonnage

149-Des eaux de surface moins minéralisées issues des karsts à couverture crétacés : les eaux qui proviennent de la Chironde sont issues des aquifères crétacés. Bien que l'on manque de données de synthèse sur ce type de nappes (à la différence des aquifères jurassiques), le travail des spéléologues nous permet d'apporter un certain éclairage sur la zone d'infiltration des eaux.

150Très schématiquement, ce type d'aquifère peut se définir par une zone d'infiltration à conduits de faible diamètre et avec d'importants remplissages. Ces derniers reflètent à la fois la nature des calcaires sénoniens (très sableux et/ou argileux en général) et les terrains de couverture argilo-sableux. Cette configuration assure un transit assez lent de l'eau (que l’on peut estimer supérieur à 15 jours en moyenne).

151Ceci assure à la fois une minéralisation assez importante de l’eau, issue d’une dissolution intense au contact des terrains de couverture, et d'un transit lent de l'eau dans des nappes de dimension modeste. La présence de nombreux terrains imperméables en surface provoque la multiplication des axes de drainage, et ces secteurs (plateau de Salignac, vallée de la Chironde et de l'Hyronde) sont des zones à multiples petites sources. Ceci assure la permanence du cours d'eau de la Chironde qui reçoit également les diverses influences d'une agriculture assez intense dans la vallée, qui complète l'élevage des plateaux. Cette culture est principalement celle du maïs et du tabac. Toutes ces activités sont des fournisseurs potentiels de polluants, sous la forme de nitrates, et dans une moindre mesure, de phosphates. L'élevage et les diverses implantations humaines sont à la base d'une pollution bactériologique très fréquemment rencontrées dans ce secteur, principalement sur les gros collecteurs, comme la Doux de Coly.

152- La Doux de Coly : un fonctionnement hydrologique et hydrochimique complexe : la partie jurassique, où se situent les points d’échantillonnage est mieux connue. Elle provient de l'étude de la principale source du secteur, la Doux de Coly (Fig. 3-4). Son bassin est constitué d'un amont d'infiltration composé de multiples dolines [GUICHARD et al., 1983], en relation soit avec la nappe soit avec l’exsurgence elle-même. Puis elle comprend une zone de circulation profonde, explorée sur plus de 4 km, dont la vidange demande un peu moins de 8 jours. L'étude réalisée par MARCHET [1991] sur l'aquifère qui en est à l'origine, a permis de mettre en exergue plusieurs caractéristiques de fonctionnement de cette exsurgence :

153- cette source est en relation avec l'aquifère principale de ce secteur, dénommé par ASTRUC et SOULE [1977] "aquifère principale du Jurassique" et qui recouvrent en fait, plusieurs nappes en rapport avec les principaux étages du Dogger et du Malm. Elles assurent une importante minéralisation des eaux, qui sont faiblement magnésiennes dans l’ensemble ;

Tableau 3-1 : Valeurs extrêmes des principaux paramètres physico-chimiques des points Coly, Chironde et Station, (valeurs anormales exclues, 24 échantillons entre octobre 1994 et septembre 1996).

154- la mise en évidence de points d'infiltration (ponors) dans le bassin amont peut provoquer un effet de dilution limité aux crues et engendre une arrivée rapide d'eau très faiblement minéralisée. Ce type de fonctionnement provoque alors un piston flow ou effet de chasse qui expulse les eaux de la nappe. Cet effet est relativement limité à des cas exceptionnels et ne modifie par le fonctionnement à long terme de la Coly (cf. infra) ;

155- le fonctionnement plus complexe de la Coly a révélé alors que la zone d'infiltration, ou épikarst [ici pris au sens de MANGIN, 1974/1975], présentait un important colmatage lui-même responsable d'importantes pCO2 et de l'importante minéralisation des eaux. La circulation en conduite noyée dans les 4 derniers kilomètres de l'émergence [BRASEY, 1992] permet le maintien de ces pCO2 à l'exsurgence (point no 1). On se reportera à l'étude de MARCHET [1991] pour de plus amples détails sur ce fonctionnement, ainsi qu'à la première partie de cet ouvrage pour la compréhension du hydrogéologique et des principaux phénomènes karstiques.

156Ce système de la Coly-Chironde est encadré par 7 points (Fig. 3-5) que l'on peut diviser en deux groupes :

157- les points 1 à 3 illustrent la dynamique de mélange (point 3) des eaux de la source (point 1) avec les eaux de la Chironde (point 2) ;

158- les points 4 à 7 concernant la travertinisation proprement dite, avec l'étude d'un système travertineux haut de chute-bas de chute (point 4 et 5 ; photos 3-5 et 3-6). les points 6 et 7 permettant l’approche de l'ensemble du barrage terminal de la Coly et la dynamique de dépôt.

2°) Présentation des sites no 1, 2 et 3 (Coly, Chironde et Station)

159Pour simplifier notre démarche, nous avons séparé en deux cette présentation, en commençant par les éléments du système calco-carbonique.

a) Les éléments du système calco-carbonaté

160Avant d'analyser les variations des eaux, il est nécessaire de les caractériser rapidement.

161* caractérisation des eaux

162- Globalement, le point no 1 Coly (Fig. 3-4) se présente comme un intermédiaire entre une réelle eau de source et une eau de surface dont elle possède cependant quelques caractéristiques. Ce point se situe environ 500 m après la résurgence et explique cette position intermédiaire. C'est ce qui ressort du tableau 3-1 avec de plus amples températures (entre 12,3°C et 19,4°C) qu'une eau de source classique (qui se situe entre 10°C et 15°C dans notre secteur), des pH pouvant être élevés (entre 7,07 et 7,89), ainsi que les indices de saturation par rapport à la calcite (-0,02 à +0,70). Des pCO2 assez fortes confirment cette caractéristique de proximité du karst (de 0,41 à 2,87 %). Il s'agit d'une eau bicarbonatée calcique assez minéralisée (forte conductivité), présentant un taux de magnésium moyen à fort pour le secteur ;

163- le point no 2 Chironde (Fig. 3-6) est par contre typique d'une eau de surface avec une grande amplitude de température (entre 9,1 et 21,2°C), des pH élevés (de 7,37 à 7,97), des pCO2 plus faibles (0.33 à 1 %) et des ISc forts (0,19 à 0,72). Les eaux sont moins magnésiennes, et nettement moins minéralisées (dans une proportion de 20 % en moyenne sur les valeurs de conductivité) ;

164- le point no3 Station issu du mélange des eaux des deux points précédents possèdent donc les caractéristiques des deux premiers points avec cependant une nette prépondérance de celle provenant de la source (Fig. 3-7). Des températures typiques d'une eau de surface (entre 10,4 et 19,1°C), des pH élevés (de 7,28 à 7,91), des pCO2 relativement faibles (entre 0,28 et 1,28 %) et des indices pouvant être très forts (0,08 à 0,83). Nous conforterons cette hypothèse par l'analyse des autres éléments non carbonatés, dont le sodium, qui s'avère dans ce cas être un bon marqueur.

165* évolution diachronique des éléments du système calco-carbonaté

166Il semble qu'il soit possible de caractériser le fonctionnement d'un karst par rapport au débit. PELLEGRIN et HOFFMANN ont pu mettre en évidence de façon statistique, deux types de fonctionnement : un fonctionnement en concentration, caractérisé par une augmentation de la minéralisation avec le débit, et un fonctionnement en dilution quand cette dernière baisse alors que le débit augmente.

167- Un fonctionnement en concentration des eaux de la Coly : l'évolution du fonctionnement des eaux du point Coly monte une tendance très nette au fonctionnement en concentration (Fig. 3-4). Bien que les données de débit soient celles du point no3, on voit nettement que la variation des courbes de calcium et bicarbonates évolue dans le même sens que celle du débit. Il s'agit du sens de variation, et non des valeurs de débit qui importe, dans ce cas.

168Le calcium et les bicarbonates baissent en basses eaux et augmentent en fortes eaux, dans des proportions relativement semblables, respectivement de 5,39 mé/l à 6,20 mé/l pour le Ca2+, et de 5,53 mé/l à 6,20 mé/l pour le HCO3-.

169Ce fonctionnement se retrouve également pour le magnésium mais de façon plus complexe (proportion de magnésium et courbes de l'élément). Il présente d'importantes variations, entre 0,15 mé/l à 1,00 mé/l d'ions Mg2+, et de 2,36 % à 15,15 % en proportion dans le total des carbonates liés aux cations divalents.

Figure 3-5 : Localisation des points d’échantillonnage.

Figure 3-6 : Les principales caractétistiques physico-chimiques du site CHIRONDE, (O : débit du site STATION).

Figure 3-7 : Les principales caractéristiques physico-chimiques du site “STATION”.

170Rappelons que le magnésium est un bon marqueur du temps de séjour des eaux dans le karst. Il détermine une mécanique dont les effets ont bien été mis en évidence par PELLEGRIN [1997] sur son terrain. On voit nettement un premier pic de magnésium "dit d'hiver" (noté (a) sur le schéma). Il correspondrait à la vidange de petits pores ou de petits conduits lors de l'importante mise en eaux du karst en début d'hiver, en décembre janvier 1994-1995 (pluies d'automne). Cette situation aboutit ensuite à un abaissement du magnésium lors des mois d'hiver (janvier à mars 1995 : (b). Puis cet élément tend à remonter en début de saison chaude (avril-juin 1995) et reste fort jusqu'en septembre (c). Puis, les pluies d'automne interviennent à nouveau et cet élément diminue en novembre-février 1995-1996 (d). Les pics de débit importants amènent une légère hausse par vidange des pores (d’). Puis, cet élément augmente progressivement à nouveau alors que s'installe la saison chaude (e).

171Cette description amène une conséquence principale : comme nous pensons que le magnésium peut jouer un rôle direct dans les phénomènes de saturation, il est important de voir que l'on peut retrouver cet élément, à la fois en hiver et en été, mais dans des contextes différents (respectivement sous forme de pics et sous forme de hausse de progressive). Si l'on regarde l'indice de saturation et la courbe de pourcentage de magnésium, elles sont parallèles ou presque et montrent une bonne corrélation dans ce cas. Si l'on ajoute une hausse des températures en été, on obtient alors le maximum de potentiel de saturation en fin de saison chaude. Les eaux de ce point no 1 sont saturées dans l'ensemble mais de façon insuffisante pour précipiter (en dessous du seuil de 0,7 très souvent).

172- Une tendance au fonctionnement en concentration des eaux de la Chironde : les eaux de la Chironde (Fig. 3-6) semblent indiquer elles aussi une tendance au fonctionnement en concentration avec des valeurs élevées de calcium et de bicarbonates en hautes eaux. Ces eaux proviennent des karsts crétacés et semblent indiquer que ces derniers fonctionnent dans cette zone (plateau de Salignac) en concentration. La physionomie de ces eaux est nette et contraste par rapport à celle de la Coly, par une proportion de calcium nettement inférieure à celle du HCO3- (est-ce Vindication d’un dépôt plus en amont de ce système ?), même si cette dernière ne transparaît pas au travers des valeurs encadrantes de cette eau. Cette proportion est comprise entre 4,10 mé/l et 5,67 mé/l pour le Ca2+, et de 4,06 mé/l à 5,67 mé/l pour le HCO3-.

Figure 3-8 : Les principales caractéristiques physico-chimiques du site “HCA2”, (Q : débit du site STATION).

Figure 3-9 : Les principales caractéristiques physico-chimiques du site “BCA2”, (Q : débit du site STATION).

173La proportion de magnésium est plus faible (entre 0,10 mé/l et 0,50 mé/l d'ions Mg2+, et de 1,33 % à 10,53 % en proportion dans le total des carbonates liés aux cations divalents) et ce coup-ci, ne peut être corrélée avec les débits. Ceci semble typique des eaux de surface sur notre secteur où l'éloignement de leur point d'origine ne permet plus d'en déterminer le comportement précis. Elles acquièrent en parcours leur propre dynamique, issue de nombreux réajustements. Ils sont principalement soumis au dégazage des eaux et à leur réchauffement. Cependant, cette proportion de magnésium tend encore à être importante en saison chaude, période où le renouvellement des eaux est plus lent. Ces dernières présentent donc un temps de séjour généralement plus long, qu'un simple orage même consistant, ne peut chasser en totalité. Il faut alors attendre le cumul des pluies d'automne pour obtenir un bon taux de vidange et constater un abaissement de la proportion en magnésium, que l'on retrouve inscrit dans les eaux de surface également.

174Globalement, l'indice de saturation se place plus haut dans le graphe, mais demeure en dessous du seuil de sursaturation (attention, les dernières valeurs de pH et d'ISc sont très suspectes). Ceci peut expliquer que, tant en ce qui concerne le point no 1 que celui-ci, nous n'ayons pas constaté de présence nette de dépôts de tufs dans le lit de la rivière et de la source. Les conditions de précipitation et par conséquent de dépôt ne semblent pas être remplies.

175- Des caractéristiques des deux points précédents présentes dans le point no3 : il est normal alors qu'une partie des caractéristiques des deux eaux précédentes se retrouve dans le point no3 (station limnigraphique de la SRAE ; fig. 3-7). La tendance au fonctionnement en concentration se confirme également. Le calcium et les bicarbonates baissent toujours en basses eaux et augmentent en fortes eaux, dans des valeurs intermédiaires entre les deux eaux précédentes, soit respectivement de 4,48 mé/l à 5,85 mé/l pour le Ca2+, et de 4,70 mé/l à 5,95 mé/l pour le HCO3-.

176La proportion de magnésium se situe dans une position intermédiaire plus proche de celle de la source de la Coly, entre 0,21 mé/l et 0,67 mé/l d'ions Mg2+, et de 3,61 % à 13,01 % en proportion. Cette dernière joue donc le rôle d'enrichissement des eaux en apportant à nouveau plus de magnésium et plus de calcium, qui tendent à redevenir proches des bicarbonates (allure de la courbe).

177L'indice de saturation continue sa progression et tend vers la valeur seuil de 0,7. Fait important, il n'est plus corrélé au magnésium mais à la température. Il indique un changement dans la dynamique dans des eaux, évoluant d'une eau endokarstique vers une eau de surface (dans le cas d'une source où les conditions de température sont plus homogènes, les phénomènes de saturation peuvent être plus sensibles alors aux variations des éléments chimiques du système calco-carbonaté. Ceci reste bien sûr une tendance, et non une loi !).

178Au niveau de se secteur, les phénomènes de précipitation et de dépôt se sont déjà amorcés, peu de temps après la réunion des eaux de la Chironde et de la Coly. Nous reprendrons en détail cette cinétique des phénomènes de saturation et de quantités de carbonates précipitées dans la deuxième partie de cette présentation.

b) Les autres éléments

179La présentation de ces éléments sera plus rapide car ils n'interfèrent que très peu avec le reste du système (uniquement les sulfates). Cependant, ils apportent des informations complémentaires, et éclairent certains comportements des eaux.

180* L’évolution diachronique du sodium et du potassium : un fonctionnement inverse à celui du débit :

181Si l'on regarde les courbes de la somme potassium+sodium (les teneurs du premier éléments étant assez faibles, elles ont été cumulées avec celles du sodium), on se rend compte que leurs variations tant spatiales que temporelles sont faibles, ce qui ne veut pas dire qu’elles ne signifient rien. Ces éléments ont un comportement stable à la fois dans le temps et dans l'espace car, notamment pour le sodium, ils interfèrent très peu avec la vie végétative et ne participent pas aux mécanismes de précipitation des carbonates. Du fait de cette grande stabilité, on peut s'en servir comme marqueur du mélange des eaux, notamment pour le sodium (Fig. 3-10).

182Les courbes ont un profil relativement semblable et l'on remarque que les eaux provenant des karsts jurassiques sont moins riches en sodium (point Coly, entre 0,11 et 0,19 mé/l) que les aquifères crétacés (Chironde, entre 0,18 et 0,24 mé/l). Le mélange de ces deux eaux donnent alors une teneur qui occupe une position intermédiaire (0,15 à 0,21 mé/l), au point Station.

183Cependant, le plus intéressant réside dans le positionnement de la courbe de mélange entre les deux autres. En effet, ce positionnement varie dans le temps. Globalement, la courbe Station se rapproche plus de celle de la Coly que de la Chironde. Ce rapprochement est encore plus net en période de basses eaux, où les points peuvent se confondre parfois comme en septembre 1995. Puis en période de hautes eaux, la courbe Station tend à retrouver une position intermédiaire, mais toujours plus proche de celle de la Coly. Pour être complet, il faut ajouter que le ruisseau reçoit l'apport d'une autre source (module moyen proche de 50 à 80 1/s : Fontaine du Bouch) avant le point Station. Les eaux de cette source proviennent du karst jurassique et ses caractéristiques physico-chimiques sont proches de celles de la Coly [MARCHET, 1991], notamment pour les valeurs de sodium et de potassium. Elle a donc tendance à renforcer l'influence chimique de la Coly par rapport à la Chironde au niveau du mélange.

184On voit très bien ici la fonction de soutien du débit du ruisseau exercée par la source de la Coly, soulignée de façon chimique. Globalement, il semble que l’essentiel du débit du cours d'eau soit assuré par la Coly, dans une proportion qui reste à définir de façon plus précise mais que l’on peut estimer entre 40 et 60 %.

185* Les autres anions : des marqueurs du fonctionnement karstique et des activités anthropiques :

186- Des teneurs en chlorures résultant du fonctionnement des nappes : les chlorures, quel que soit le point de mesure, équivalent approximativement à la somme sodium+potassium. Le changement de physionomie de la courbe (chlorures supérieurs a la somme Na+ + K+ est un artefact : le point de rupture se situe au niveau des mois d'août/septembre 1995, date à laquelle nous avons changé de méthode). Ces trois ions ont de fortes affinités, ce qui explique une telle situation, en l’absence de pollutions issues d'un de ces éléments.

187Les chlorures restent assez stables dans le temps et dans l'espace pour les mêmes raisons que le sodium et le potassium et reflètent la même différence d'origine karstique (0,15 à 0,28 mé/l pour le karst jurassique, et 0,29 à 0,41 mé/l, pour le karst crétacé). Tant pour le sodium, et le potassium que pour les chlorures, il faut y voir un travail de la nappe qui concentre ces éléments dont l'origine est diverse : terrain de couverture et argiles pour le premier, terrain de couverture, argiles et sols pour le second, origine atmosphérique et éventuellement argiles pour le troisième.

Figure 3-10 : Les principales caractéristiques physico-chimiques du site “CANAL”, (Q : débit du site STATION).

188Une petite nuance apparaît avec la courbe des chlorures des eaux de la Chironde, qui quelle que soit la méthode employée, reste toujours au dessus du sodium et du potassium. Il faut y voir là plus une origine karstique qu'un phénomène éventuel de pollution. Dans ce dernier cas, cela signifierait une pollution chronique par des chlorures dont l'origine demeure difficile à expliquer (ni agricole, ni atmosphérique !).

189- Des sulfates quasi absents : les sulfates dont l'origine est essentiellement lithologique (évaporites) ou anthropique (pollutions) sont absents ou quasiment absents du profil chimique des eaux. En Périgord-Quercy, les terrains évaporitiques sont très rares et l'emploi de produits phytotoxiques à base de sulfates n'est pas aussi intense qu'en région viticole par exemple. Ils sont néanmoins un peu plus élevé sur les eaux de la Chironde : leur origine est difficile alors à cerner en l'absence d'autres points de comparaison dans le secteur (pollution ou origine lithologique ?).

190Cette situation débouche sur une conséquence importante : le système calco-carbonaté et sa cinétique peuvent se résumer à l'évolution de la chaîne carbonatée stricte (température, pH, gaz carbonique, calcium, magnésium, carbonates, bicarbonates).

191- Des nitrates présents de façon sensible : les nitrates (somme nitrates+nitrites) sont malheureusement présents de façon chronique dans les eaux du secteur (entre 1 et 14 mg/l selon le site et la saison). Il est difficile de déterminer avec précision un niveau que l'on pourrait considérer comme naturel pour cet élément. L’azote est fortement liée à la vie végétale et se retrouve à tous les niveaux de cette chaîne. Il est normal que l’on puisse la retrouver dans l’eau sous une forme hydratée (nitrates, et dans une moindre mesure nitrites). On peut considérer alors qu’une teneur globale supérieure à 3-4 mg/l indique une pollution. On se place très souvent au-dessus de cette teneur.

192Certaines fluctuations soulèvent une double origine dans la restitution des nitrates par le système karstique. On peut parler alors de restitution bimodale de cet élément. Elle est due à la fois, à une pollution chronique au niveau des nappes et à une pollution supplémentaire que l’on peut qualifier de lessivage lors de périodes de hautes eaux (janvier 1996 sur la Chironde).

193Ce lessivage en saison froide mobilise notamment l’excédent des matières azotées non consommées par les cultures, mais reste lié également à une certaine pratique culturale. Elle correspond à la fumure d'hiver issue de l’élevage, voire de l'engraissement d'automne de certains champs. Cette pratique aberrante est basée sur le saupoudrage des champs avec des engrais afin que ces derniers pénètrent profondément dans les sols après les séries de pluies de la saison froide. La majeure partie de ces engrais part directement dans la nappe d'autant plus rapidement qu'elle est peu profonde, notamment pour la nappe des alluvions. Il semble également que l'on ait une remobilisation de ces nitrates lors de grands lessivages issus des cumuls de pluies hivernales, ce qui pourrait expliquer ces pics de lessivage. La végétation culturale, inexistante en saison froide, ne peut pas jouer alors un rôle dénitrificateur.

194Sur toutes les courbes néanmoins, on remarque une tendance à la baisse au fur et à mesure du déroulement de la saison chaude, pouvant souligner une consommation par la végétation ou une restitution un peu moindre par le karst, (et/ou des modifications par l'élévation de la température dans la chaîne des éléments ammoniaqués ?).

195Quoiqu'il en soit, les valeurs constatées sont élevées pour une eau de surface, malgré la consommation de la végétation. Elle tient à une double situation :

196- la pratique intensive et le long du cours d'eau de cultures polluantes (tabac, maïs), mais aussi de l'élevage sur le karst dont on sait qu'il restitue une bonne partie de ces polluants (présence de bactéries confirmée à la source de la Coly) ;

197- le déboisement systématique de la ripisylve, devenue quasi-inexistante sur les rives du ruisseau. Cette situation est encore plus vraie dans ce bassin, que dans les autres étudiés.

B) Hydrochimie du système travertineux de Condat/Vézère : une dynamique de barrage

198Ce système travertineux se situe donc en confluence avec la Vézère. Il est constitué par trois barrages, dont le cumul des chutes peut être estimé à environ 7 m de hauteur. Le barrage A2 correspond au premier barrage, au début du système et s'avère être le plus important. Le barrage Al se situe donc au niveau de la confluence du cours d'eau avec la Vézère.

1°) Caractérisation des eaux

199La caractérisation des eaux sera plus rapide car elles reflètent les principales caractéristiques des eaux amont.

200- Des variations hydrochimiques de grande amplitude : les points no4 et 5 (HCA2 et BCA2) correspondent à un système de chute d'eau en relation avec un barrage travertineux (Fig. 3-8 et 3-9). Le premier point représente le haut de la chute (HC) et le deuxième, le bas de la chute (BC). Pour éviter les problèmes d'instabilité chimique et de turbulence des eaux d'une part, et pour laisser un temps suffisant aux rééquilibrages chimiques afin qu'ils se réalisent d'autre part, nous avons éloigné au maximum la distance entre les deux points. Le haut de la chute correspond au début du plateau (cf. schéma morphologique d’un barrage, Fig. 3.2) et non au haut de la chute proprement dit, et le point BCA2 se situe à environ 5 m après le bas de chute. De cette manière, les deux points sont à peu près distants d'une vingtaine de mètres, et encadrent l'ensemble du barrage.

201Ces deux points présentent tout naturellement des caractéristiques propres aux eaux de surface (Tab. 3-2), avec notamment une grande amplitude des températures, qui peuvent atteindre des valeurs importantes (entre 10,1-10,3 et 20,0°C), des pH très élevés (7,50-7,61 à 8,13-8,19), en rapport avec des pCO2 très faibles dans l'ensemble (0,13-0,14 % à 0,61-0,88 %). Cette situation se traduit alors par des indices de saturation très forts (0,26-0,33 à 0,90-0,99). La grande amplitude de variation des éléments du système calco-carbonaté, en relation avec une précipitation active, contraste avec la stabilité des autres éléments, en particulier le système chlorures-sodium-potassium. Les polluants se maintiennent toujours à un niveau pouvant être élevé, et notamment les nitrates. Les sulfates restent faibles ;

Tableau 3-2 : Valeurs extrêmes des principaux paramètres physico-chimiques des points HCA2, BCA2, Canal et HCA1 (valeurs anormales exclues, 24 échantillons entre octobre 1994 et septembre 1996).

Figure 3-11 : Variations du Na (sodium) et du débit des sites de la Coly, de la Chironde et de la Station, bassin de la Coly, (Q : débit du site STATION).

202- Des caractéristiques hydrochimiques proches des points précédents pour les points 6 et 7 : les points no6 et 7 (CANAL et HCA1) représentent respectivement un canal qui relie le point HCA2 à un ancien moulin (Fig. 3-11 et 3-12), dont le trop plein des eaux se déverse sur le haut de chute d'un autre barrage (HCA1). Ce dernier représente le dernier barrage travertineux avant la confluence des eaux avec celles de la Vézère. Ces deux points sont distants l'un de l'autre d’une vingtaine de mètres, et des deux précédents d'environ 200 m. Le point Canal se situe avant que les eaux se déversent (photos 2-12 et 2-13). Malheureusement, en périodes de basses eaux, son écoulement peut s'interrompre, et accueillant une végétation aquatique relativement dense, il est régulièrement curé. Pour ces deux raisons, il nous manque deux campagnes hydrochimiques, et nous ne l’intégrerons dans notre étude que de façon indirecte et complémentaire. Les principales caractéristiques physico-chimiques de ces deux points sont similaires aux deux points présentés précédemment. Elle se traduit par une forte amplitude des températures (entre 9,9-10,4 et 19,6-20,2°C), des pH très élevés (7,56-7,69 à 8,13-8,27), en rapport avec des pCO2 très faibles dans l'ensemble (0,12-0,13 % à 0,54-0,84 %). Cette situation se traduit alors par des indices de saturation très forts (0,34-0,37 à 0,90-1,00).

203Il est à noter que sur ces quatre points, on constate un décalage spatial des valeurs de pH, d'ISc et de pCO2, avec une progression amont/aval pour les deux premiers paramètres, et une diminution amont/aval pour la pCO2.

2°) Evolution diachronique des différents éléments

204Cette étude diachronique s'appuie également sur ce qui a été dit précédemment pour la partie amont (zone de mélange des eaux).

205a) Evolution diachronique du système calco-carbonaté : une précipitation particulièrement active

2061) Globalement au niveau du point HCA2, l'allure des courbes du calcium et des bicarbonates semblent refléter un fonctionnement en concentration des eaux (fortes minéralisations carbonatées en hiver et en fort débit, plus faibles en été). Les teneurs sont comprises entre 4,27 mé/l et 5,70 mé/l pour le Ca2+, et 4,30 mé/l et 6,15 mé/l pour le HCO3-

207- La précipitation des carbonates entraîne un léger décalage des courbes de teneurs par rapport à celle du débit : Mais l’adéquation entre les profils de ces courbes et celle du débit semble un tout petit moins bonne qu'en amont. Ici, malgré des phénomènes de précipitation constatés entre le point Station et le point HCA2, la tendance à long terme de ce fonctionnement reste bien inscrit. Le problème ne se situe pas au niveau de l'intensité de la précipitation, mais au niveau des proportions de carbonates précipités. Les eaux sont en effet très minéralisées et il faudrait substituer des quantités conséquentes pour vraiment perturber le profil de la courbe. C'est en ces termes qu'il faut aborder la classification fonctionnelle des eaux et qu'il faut demeurer très prudent quand elle s'applique aux eaux de surface incrustantes.

208Par rapport au secteur de mélange des eaux, les courbes de calcium et de bicarbonates présentent un léger décalage, et se situe un peu plus bas dans le graphe. Ceci est du à un abaissement des teneurs. Ces courbes traduisent alors deux phénomènes : une évolution à long terme par un fonctionnement en concentration des eaux et une tendance à la précipitation active des carbonates (abaissement de l'ensemble des points de la courbe).

209L'un des faits importants se situe au niveau de la courbe de proportion du magnésium qui se situe entre 0,28 mé/l et 0,60 mé/l d’ions Mg2+, et de 4,71 % à 12 % en proportion. En effet, il n'existe plus de corrélation entre la proportion en magnésium des eaux et leur saturation. Les indices de saturations (ISc) demeurent constamment, ou presque, à un niveau élevé et sont soumis à une autre cinétique (dégazage en CO2 notamment). La courbe se situe en sursaturation quasi-permanente, témoignant d'une précipitation particulièrement active. Cette situation débouche sur la présence de dépôts dans cette zone, que l'on peut qualifier d'actifs.

210- Une situation plus complexe à analyser pour le magnésium : la deuxième caractéristique principale de cette courbe de proportion du magnésium (on la retrouve également sur la teneur de l’élément) est qu'elle présente une physionomie en "dents de scie", traduisant un comportement erratique du magnésium. Cette situation est plus complexe et doit sûrement trouver son explication dans la participation de cet élément aux phénomènes de sursaturation et de précipitation. Le magnésium subirait alors des réajustements constants en fonction de la dynamique de dépôt. Les fluctuations saisonnières que l'on constate tiennent à la fois à un apport d'eau plus important en hiver, et d'un ralentissement du fonctionnement du barrage travertineux en hiver (cf. infra). Ceci provoque donc une légère baisse de la proportion en magnésium, et ici, une légère baisse de la saturation. Cette dernière reste cependant toujours au-dessus d'un seuil élevé.

211Les pH présentent une similitude par rapport à ceux du point Station : ils restent dans des proportions plus élevées en hiver 1996 que pendant l'hiver 1995. Deux hypothèses peuvent expliquer cette situation : soit un fonctionnement défaillant de l'appareil, soit la notion d'année hydrologique qui est différente d'une année à l'autre.

2122) Le comportement erratique du magnésium semble ici lié aux phénomènes de précipitation : au niveau du point BCA2, le profil des courbes de calcium et de bicarbonates demeure similaire à celles du point HCA2, avec des teneurs qui restent encore élevées malgré les phénomènes de précipitation inhérents au barrage travertineux (entre 4,20 mé/l et 5,70 mé/l pour le Ca2+, et 4,20 mé/l et 6,10 mé/l pour le HCO3-).

213La courbe de proportion de magnésium montre un comportement moins erratique que celle du haut de chute (point précédent), et semble indiquer une dynamique différente (réajustements chimiques). Les teneurs se situent entre 0,15 mé/l et 0,70 mé/l d'ions Mg2+, et de 2,88 % à 14,89 % en proportion.

Figure 3-12 : les principales caractéristiques physico-chimiques du site “HCA1”, (Q : débit du site station).

2143) Des phénomènes toujours intenses jusqu’au dernier point : les courbes de calcium et de bicarbonates conservent leur profil au niveau du point HCA1. Elles indiquent un fonctionnement similaire, avec des valeurs comprises entre 3,99 mé/l et 5,70 mé/l pour le Ca2+, et 4,34 mé/l et 6,20 mé/l pour le HCO3-. On constate également un abaissement général des points de la courbe, indiquant un phénomène de précipitation suffisamment intense pour être inscrit de cette façon. Ce phénomène se situe donc entre le bas de la chute du barrage A2 et le haut de chute du barrage suivant A1.

215La courbe de proportion de magnésium montre un profil en "dents de scie", similaire à HCA2. Il semble que les hauts de chute se marquent par une certaine instabilité dans les teneurs magnésiennes (est-ce l'indication d'une réinitialisation du système de dépôt, d'une accentuation du phénomène de sursaturation ?). L'amplitude entre les valeurs encadrantes de ce point redevient important, avec des teneurs comprises entre 0,17 mé/l et 0,70 mé/l d'ions Mg2+, et de 3,24 % à 11,21 % en proportion.

216Le fait important est que les maximums de cette proportion ne se situent pas toujours en saison chaude. D'autres phénomènes semblent influer sur cette dynamique et notamment la précipitation des carbonates semble jouer un rôle important.

217Le maintien à un niveau très élevé de la courbe de sursaturation indique des phénomènes relativement intenses. Cette sursaturation frôle même la sursaturation automatique dite "précipitante", niveau dans lequel les phénomènes de dépôt d’origine physico-chimique peuvent prendre une plus grande part. Mais il ne s'agit ici que de tendance. Cette tendance où la physico-chimie peut jouer un plus grand rôle n'est là que pour accentuer les phénomènes de dépôt.

218Les courbes de température et de pH présentent un profil similaire aux courbes des points précédents et indiquent que l’on se situe dans les conditions maximales de dépôt, notamment en saison chaude.

219Dans l'ensemble, les variations de courbes du points Canal s'avèrent être très proches de celles du point HCA1.

220b) Evolution diachronique des autres éléments : des tendances enregistrées en amont, qui se confirment vers l’aval

221Schématiquement, les teneurs de ces divers éléments reflètent les minéralisations acquises plus en amont du système travertineux, dans la zone de mélange des eaux.

222On retrouve le même profil pour la courbe du sodium et du potassium, qui confirme la très bonne stabilité de ces deux éléments, et dans le temps, et dans l'espace. Leur somme demeure sensiblement égale aux chlorures, comprises entre 0,2 et 0,3 mé/l.

223Les sulfates apparaissent toujours aussi faibles, et ne peuvent pas participer, à de telles proportions, aux phénomènes de saturation et de précipitation.

224Les nitrates sont toujours aussi forts pour une eau de surface, malgré la végétation aquatique. C'est ainsi que l'on retrouve encore mieux marqué sur ces sites un pic de lessivage de nitrates en janvier 1996, période de crues généralisées à l'ensemble du bassin de la Dordogne et de ses affluents. De même, la baisse que l'on enregistre habituellement en saison chaude est ici mieux marquée. Souligne t’elle une plus grande consommation des végétaux incrustants notamment, ou subit-elle des modifications physico-chimiques ? Nous penchons davantage pour la première hypothèse (dénitrification naturelle). Cette situation est invariable, quelle soit la zone du barrage étudiée. Toutes ces remarques sont également valables pour les points Canal et HCA1, où les pics de lessivages des nitrates y sont moins bien marqués tout de même.

C) La dynamique travertineuse

225Nous avons volontairement séparé les diagrammes de pCO2 des autres graphes, pour mieux mettre en valeur cette dynamique.

226En effet, de façon globale, cette pCO2 s'avère être un bon marqueur, ou en tout cas, peut rendre compte assez bien de toute une série de phénomènes en relation directe avec la précipitation des carbonates.

227Cette dernière est, de plus, le principal acteur fixant la cinétique du système calco-carbonique, en déterminant les mises à l'équilibre des trois chaînes (gazeuse, liquide et solide). Ces déstabilisations auront donc une influence directe sur la précipitation, soit en l'initialisant, soit en l’intensifiant. Cette pCO2 peut s'exprimer en pourcentage d'atmosphère (teneur atmosphérique : 0,034 %).

1°) L'initialisation du système : l'analyse des pCO2

228- Le rôle du karst : du fait de la proximité du karst et du point d'origine des eaux, les eaux de la Coly ont montré une nette tendance à se placer dans une position intermédiaire entre une eau de surface et une eau de source. Ceci est encore plus vrai pour les valeurs de pCO2 de la figure 3-13. Elles montrent en effet que ces valeurs peuvent être parfois fortes, jusqu'à 2,9 %, soit presque 100 fois la teneur atmosphérique, certes très faibles en temps normal. On est cependant loin des quelques dizaines de pour-cent que cite BAKALOWICZ [1996] dans certains karsts thermogazeux comme la source du Lez (région de Montpellier) par exemple, mais l'on se place ici dans des conditions hydrogéologiques bien particulières.

Figure 3-13 : Variations des pCO2 des points Coly, Chironde et Station et comparaison avec le débit, (Q : point station).

Figure 3-14 : Variations des pCO2 des points HCA2, BCA2 et HCA1.

229- L’inversion saisonnière : pour des eaux plus "classiques", on peut considérer qu'au delà de 1 à 1,5 %, on se place dans une situation de pCO2 relativement importantes. Globalement, le profil de la courbe montre une opposition assez nette entre les périodes de hautes eaux d'hiver et plus froides et les périodes de basses eaux plus chaudes au printemps/été. Les premières permettent le maintien de pCO2 plus importantes du fait de la température plus faible des eaux. Elles sont également synchrones avec les plus fortes minéralisations carbonatées d'hiver, du fait du rôle équilibrant joué par ces pCO2. En été, c'est l'inverse, et l'on obtient alors des eaux plus dégazées.

230- Des eaux plus dégazées pour la Chironde et le point Station : les deux autres courbes (Chironde et Station) montrent un profil différent, typique d'une eau beaucoup plus dégazée, plus proche d'une eau de surface. Ce dégazage est sûrement le facteur principal d'initialisation du système de dépôt, en préparant chimiquement les eaux à la saturation et la sursaturation. En effet, le mélange des eaux amène une minéralisation plus forte du ruisseau, ainsi qu'un certain dégazage inhérent à l'agitation de l'eau et à son réchauffement.

231De plus, le profil de la courbe de pCO2 du mélange des eaux ne correspond à aucune des deux autres, même si elle tend à occuper une position intermédiaire. Elle semble montrer une cinétique relativement indépendante, probablement due au dégazage des eaux et à leurs réajustements physico-chimiques.

232- Dégazage et précipitation des carbonates : entre le point Station et HCA2, la cinétique de dégazage des eaux se poursuit comme en témoigne l'abaissement des teneurs au point HCA2 (Fig. 3-14). On peut l'interpréter comme une non mise à l'équilibre du système. Cela se traduit alors par une intensification des phénomènes de précipitation des carbonates, alors que le dégazage continue et crée de nouveau une situation de déséquilibre chimique. Cette dynamique se poursuit d'ailleurs jusqu'au dernier point, HCA1, autorisée en cela par la forte minéralisation carbonatée des eaux (entre 5,5 et 6 mé/l pour la dureté totale). Les très faibles valeurs de la dernière courbe indiquent cependant que l'on se situe dans le cadre d'une eau très dégazée. Cette phase est alors presque achevée, alors que perdure toujours le déséquilibre chimique. Le retour à l'équilibre est plus lent, largement trop lent pour être atteint avant le point de confluence des eaux avec la Vézère. Ceci explique la présence de dépôt au niveau de cette confluence. Le système est ensuite complètement inhibé par la très faible minéralisation des eaux de la Vézère, qui n'autorise plus les phénomènes de précipitation.

233- Un dégazage en 5 phases du système travertineux : au niveau du système travertineux, les pCO2 demeurent faibles. Les courbes sont relativement parallèles entre elles, indiquant une progression relativement linéaire du dégazage. Ceci amène deux remarques : d'une part, la cinétique de dégazage n'est pas terminée, mais surtout, que la dynamique travertineuse n'est pas pleinement installée. On peut alors la concevoir de façon théorique en cinq phases :

2341) dans un premier temps, le dégazage s'amorce et installe un début de saturation chimique des eaux. Ce processus connaît une progression de type logarithmique d'autant plus rapide que les pCO2 sont fortes, puis s'amortit au fur et à mesure que le système tend vers des valeurs plus faibles. Cette saturation est néanmoins trop faible pour entraîner une précipitation des carbonates. Ceci correspond à la zone de mélange des eaux, sur le système Coly-Chironde ;

2352) puis, ce dégazage s'intensifie et permet l'entrée des eaux dans la zone de sursaturation. Là, en présence d'organismes incrustants, on peut obtenir dans une première étape une précipitation pouvant déboucher ensuite sur des dépôts. Ceci doit être la cinétique principale, existant entre le point Station et HCA2 ;

2363) dans un troisième temps, le dégazage bien amorcé depuis plusieurs kilomètres commence à ralentir, alors que les eaux atteignent une sursaturation de plus en plus importante. Leur circulation au contact d'organismes incrustants entraînent des dépôts relativement importants et permet l’installation d'une dynamique de barrage travertineux. Ceci correspond au 4 derniers points du système de la Coly, au niveau des barrages de Condat. Ceci explique en partie pourquoi on retrouve fréquemment des barrages en position terminale sur les cours d'eau ;

2374) dans un quatrième temps, si le cours d'eau est assez long, le dégazage s'arrête, mais le déséquilibre entre phase gazeuse et phase minérale est trop grand. Il se traduit par une précipitation encore intense et des dépôts importants. Cette étape et la précédente représentent les conditions maximales de dépôt ;

2385) dans une dernière étape, la solution peut retrouver un certain équilibre, et le système, sans s'inverser automatiquement (il n'est pas nécessaire qu'il y ait réabsorption de CO2 pour freiner le système), reste sursaturé mais ne précipite plus, et donc les mécanismes de dépôts s'arrêtent. Ils restent alors soumis à une réinitialisation possible soit par une plus grande agitation de l'eau, soit par un enrichissement en carbonates (proximité d'un exutoire karstique).

239Sur les différentes courbes des figures 3-13 et 3-14, on remarque le même type de variation d'une année à l'autre, avec cependant une moins grande amplitude en 1996. On voit ici la variation de fonctionnement du système d'une année à l'autre, fonctions des précipitations atmosphériques et de la température. Ici, ces variations sont trop faibles pouvoir interrompre les processus de dépôt qui traduisent une certaine latence. En effet, une fois que le mécanisme est enclenché, il connaît un certain auto entretien au niveau des organismes incrustants, des conditions hydrodynamiques (chutes d’eau, etc.). Du fait de ce fonctionnement en continu, il est possible de mesurer l'intensité de la précipitation et des mécanismes de dépôt.

2°) Intensité de la précipitation et du dépôt

240La présence de multiples barrages travertineux semble indiquer que la travertinisation récente et actuelle est assez active, même si elle n'est plus en rapport avec certains phénomènes passés. On peut considérer que dans ce cadre, le calcul des quantités précipitées est un bon indicateur de cette intensité de dépôt.

241Pour tenter d'estimer cette intensité, on peut s'intéresser aux différences de valeurs de pH et d'ISc (Fig. 3-15, 3-16, 3-17).

242Ces valeurs demeurent élevées dans l'ensemble et elles augmentent d'amont en aval. On peut analyser alors l'intensité de cette augmentation en effectuant le calcul suivant : valeur aval - valeur amont. Ceci peut être fait à la fois pour le pH et à la fois pour l'ISc, ces deux paramètres ne se recouvrant pas totalement.

243- Le potentiel de précipitation (PMP) : à partir de là, on peut effecteur une estimation du "potentiel maximal de précipitation" (PMP). Ce potentiel est dit maximal, car il représente la valeur maximale au cas où l'ensemble des valeurs précipitées serait égal aux quantités déposées. Comme il est possible qu’une partie des quantités précipitées transite sous la forme de matériaux en suspension, cette valeur calculée est alors une potentialité. Nous n'avons pour l'instant aucun moyen de calculer la part des carbonates précipités non déposés de celle qui l'est. Elle est donc incluse dans ce PMP, basé sur les différences ioniques en solution. Or, cette quantité précipitée non déposée n'existe plus sous forme ionique et donc est automatiquement comprise dans les différences calculées. De plus, rappelons qu'il existe bien un décalage spatial entre carbonates précipités et carbonates déposés du fait d'une cinétique différente. Par exemple, les carbonates précipités en bas de chute sont bien soustraits des teneurs ioniques mais ne sont pas pour autant déposés par les organismes incrustants. Ils ne se déposent que sur le plateau du barrage suivant.

Figure 3-15 : Quantités de CaCO3 précipitées, amplitude du pH et de l'ISc entre les sites STATION ETHCA2, (vallée de la Coly).

244- Le choix du calcium comme indicateur du PMP : ce calcul peut être basé sur la mesure du calcium. C'est un choix qui tient essentiellement à une constatation. En effet, la dureté totale représente la somme des carbonates liés aux cations divalents et comprend donc les variations chimiques liées au magnésium. Or, nous savons que ces variations chimiques constatées dans l'eau interfèrent très peu avec la composition des sédiments, puisque le magnésium ne se retrouve que pour une faible part dans les carbonates déposés (-de 3 % au maximum, proportion mesurée par calcimétrie fine). Il nous a paru plus juste d'utiliser alors le calcium par rapport à la dureté totale qui surestime les quantités déposées. Notre but est de trouver l'indicateur le plus adéquat entre quantités précipitées et quantités déposées.

Figure 3-16 : Quantités de CaCO3 précipitées, amplitude du pH et de l’ISc entre les sites HCA2 et BCA2, (vallée de la Coly).

Figure 3-17 : Quantités de CaCO3 précipitées, amplitude du pH et de l'ISc entre les sites BCA2 et HCA1 (vallée de la Coly).

245Les valeurs de calcium sont alors exprimées en mg/l de CaCO3, en multipliant les mé de calcium par 50. Les mécanismes de dépôt doivent entraîner une diminution des teneurs ioniques en calcium d'amont vers l'aval liées aux carbonates déposés, si le phénomène est suffisamment sensible pour être mesuré. On exprime cette différence en mg/l de CaCO3. De cette façon, on obtient en même temps une variation spatiale (entre deux points) et temporelle (chaque campagne mensuelle de mesure).

246a) L’intensité des phénomènes entre la zone de mélange des eaux et le secteur des barrages (points Station et HCA2) : un fonctionnement essentiellement saisonnier

247Il faut garder à l'esprit le point de départ des valeurs d'ISc, en même temps que l'importance des variations. Une variation faible mais partant d'une valeur élevée d’ISc peut amener un changement d’état de la solution (saturée à sursaturée), alors qu’une forte hausse ne peut amener parfois, qu’une saturation un peu plus forte (de 0,2 à 0,6 pour les valeurs d'ISc, par exemple). Ce type de remarque est valable également pour le pH.

248Globalement, les 3 diagrammes (ISc, pH, CaCO3 précipités) montrent un profil semblable (Fig. 3-15). On constate dans un premier temps, des différences très faibles, voire négatives dans les variations de saturation (ISc et pH) en hiver (a). Elles se traduisent par des quantités plus faibles de CaCO3 précipités. Puis en (b), les différences et les quantités augmentent (pouvant atteindre parfois 20 mg/l), pour culminer en fin de saison chaude (septembre 1995). L’ensemble du profil s'abaisse à nouveau en hiver 1996 (c), mais le système travertineux fonctionne toujours. Enfin, on constate une nouvelle augmentation en saison chaude (d) plus marquée ce coup-ci en début de période (juin/juillet).

249On constate à la fois un contraste saisonnier et à la fois des petites variations interannuelles, fonction de l’alimentation du système karstique (précipitations atmosphériques) et des températures. L'échelle d'évolution des phénomènes est ici pluri-kilométriques. Cette intensité différentielle saisonnière de la précipitation semble indiquer un fonctionnement normale pour un système travertineux [MAZET, 1988, 1991].

250Ceci tient en saison chaude à la convergence de différents phénomènes, avec une réactivation biologique de la précipitation, de plus fortes teneurs en magnésium jouant sur la saturation des eaux, de plus fortes températures provoquant un dégazage plus poussé des eaux, etc. Le maintien de fortes minéralisations carbonatées en hiver nous apparaît comme l'élément majeur du maintien des phénomènes de précipitation et de dépôt en saison froide, notamment dans cette zone. Ceci est extensible à d'autres systèmes travertineux.

251b) La dynamique des barrages : interaction entre physicochimie des eaux et organismes bio incrustants

252Les différences de pH et d'ISc sont moins marquées que dans le cas précédent. Rappelons ici que la distance qui sépare ces deux points est de seulement 20 m (Fig. 3-16).

253De même, l'adéquation entre l'intensité des différences ISc et pH d’une part, et les quantités précipitées d'autre part est moins bonne. De plus, les quantités précipitées peuvent être faibles et ne sont pas toujours enregistrables de façon chimique. On retrouve cependant une tendance à un fonctionnement différentiel saisonnier, notamment en saison chaude (juillet 1995, août/septembre 1996).

254De façon globale, les phénomènes de précipitation peuvent être relativement intenses, proches de ce que l'on peut noter sur la figure 3-13, mais dans un espace beaucoup plus restreint. Cette plus grande intensité est due à la dynamique de chute d'eau provoquée par les barrages travertineux, qui accentuent les déséquilibres chimiques.

255Le fait que l'on trouve un meilleur marquage saisonnier dans les quantités précipitées par rapport aux différences d'ISc et de pH peut amener deux interprétations :

256- on peut y voir un contrôle de la végétation incrustante relativement important des processus de dépôt, indépendamment de la physico-chimie des eaux dont le potentiel de saturation est ici quasi maximal ;

257- on peut y voir une saturation de meilleure "qualité" en saison chaude : c'est-à-dire une saturation ou une sursaturation ici) qui atteint une intensité maximale en saison chaude du fait de l'influence certaine du biologique, mais également du fait d'une convergence de facteurs physicochimiques (plus forte température, plus grande proportion de magnésium, plus faible pCO2, etc.).

258Pour notre part, nous y voyons un très bel exemple d'interactions intimes entre physico-chimie des eaux et organismes bio-incrustants. Dans ce cas, et dans bien d'autres d'ailleurs, il n'est pas possible de départager physico-chimie des eaux d'un côté, et biologique de l'autre, dans un secteur où leur action et leur présence sont très fortes (forte colonisation des barrages travertineux par les algo-bryophytes, sièges de nombreux phénomènes chimiques par l'agitation de l'eau dans les secteurs de cascades). De plus, la chimie et les végétaux tendent également à avoir leur maximum d'influence au même moment, cette dernière diminuant également pendant la même saison (hiver).

259- Une information plus difficile à mesurer vers l’aval : entre les points BCA2 et HCA1 (Fig. 3-17), c'est-à-dire entre le bas de chute du premier barrage et le haut de chute du barrage suivant, on constate une certaine détérioration de la qualité de l'information au niveau des quantités précipitées et déposées, se traduisant par une plus grande fréquence des valeurs négatives.

260Cette situation semble trouver son origine à la fois dans des imprécisions de mesure (utilisation de seringue de titration beaucoup moins précise que la pipette), mais également dans des phénomènes de dilution plus importants dans ce secteur urbanisé. Il correspond très souvent à des périodes de hautes eaux et intervient dans un espace qui collecte beaucoup plus les eaux de pluie.

261De plus, à ce niveau, on ne peut faire intervenir des problèmes de saturation qui se situe toujours en sursaturation permanente. Nous pensons que ce phénomène de d'eaux, très légèrement moins minéralisées en surface, joue à fond : il suffit en effet d'une diminution de 5 à 10 mg/l de CaCO3 sur un total de 300 pour créer une telle situation.

262L'intensité des différences diminue également mais demeure toujours positive dans un contexte d'eaux très saturées. On retrouve également un fonctionnement saisonnier plus contrasté, témoignant ici, que c'est l'ensemble des barrages travertineux situés entre ce point et la zone de mélange des eaux qui présente un fonctionnement relativement synchrone.

263Les quantités précipitées et déposées sont légèrement plus fortes qu’au niveau du barrage précédant, mais la distance est un peu plus grande, environ 200 m, et inclut également un petit barrage intermédiaire (hauteur 1 m environ).

264Même si la tendance n’est pas toujours très nette, il semble que l'on constate une certaine complémentarité de fonctionnement entre les différents secteurs de barrages. Si dans un secteur, la précipitation diminue, elle profite alors aux secteurs situés plus en aval et réciproquement ; si dans une zone, la précipitation est intense, elle peut diminuer alors dans les zones aval.

265Par exemple, cette situation a été particulièrement nette en mai-juin 1995, où l'on a obtenu une quantité précipitée de l'ordre de 13 à 20 mg/l sur le barrage A2 (Fig. 3-16), et une différence négative à nulle pour la même période en aval (Fig. 3-17). Ceci tendrait à démonter que si la physico-chimie des eaux semble progresser de façon linéaire, ce n'est pas le cas des phénomènes de précipitation ou de dépôt. Il semble que l'on puisse envisager en hypothèse une précipitation de type linéaire, en adéquation avec la physico-chimie des eaux, mais des mécanismes de dépôt au comportement plus erratique (soumis au rythme de vie et de croissance des organismes incrustants ?).

266- La quantification des flux de carbonates : une méthode qui présente des limites : en conclusion, il est alors possible d'estimer de façon globale les quantités précipitées sur un cycle hydrologique et d'en déterminer une valeur d’entartrage potentiel brut du cours d'eau. Ce dossier demanderait une plus grande attention afin d'affiner les modèles de calculs, ceci en vue de mieux tenir compte de certaines réalités : l'infiltration de l'eau dans les alluvions et les tufs de la vallée et estimer le débit plus correctement en basses eaux, définir plus précisément avec un pas de 10 jours les rythmes de dépôt, etc.

267On peut envisager différents types de calculs, avec des formules brutes (multipliant les valeurs chimiques constatées par les débits bruts), avec des coefficients (basés sur la part estimée de carbonates précipités par rapport au transit des éléments en solution dans l’eau), etc.

268Nous nous sommes contentés pour notre estimation de calculer des valeurs brutes à partir des débits moyens mensuels du point Station et des quantités précipitées sur l'ensemble de la zone de dépôt (depuis la zone de mélange des eaux jusqu’à la confluence Coly-Vézère). Quand ces valeurs étaient négatives nous avons pris arbitrairement une valeur minimale de l'ordre de 3 mg/l de CaCO3. Les résultats sont consignés dans le tableau 3-3. Il est composé de cinq colonnes comprenant le débit moyen mensuel (QMM en 1/s), de la quantité de carbonates exportés calculée à partir des valeurs de Ca2+ du site Station, des quantités précipitées tirées des graphes 3-15 et 3-16. Les deux autres colonnes représentent le produit des deux colonnes précédentes par le débit et le facteur temps (calcul à flux constant, débit constant et précipitation constante).

269Il faut rester très prudent sur les interprétations car ces chiffres sont fragiles. Ce sont des données brutes qui ne reflètent qu'une partie des réalités. De ce fait, ce tableau ne peut appeler que des commentaires prudents. Cette notion de flux est forcément liée au débit et permet alors de mettre en valeur une dimension de ce système : au moment où les phénomènes de précipitation semblent les plus intenses, les débits sont les plus faibles et les volumes globaux déposés restent modérés. La conjonction des deux (débit soutenu et intensité de la précipitation) pourrait alors amener régulièrement des poussées de croissance plus fortes des dépôts (mai 1996), à condition que l'intensité érosive d'hiver ne vienne pas rendre nul le bilan érosion/sédimentation. Les phénomènes de précipitation relativement intenses en hiver permettent alors le maintien des formes de dépôt que l'on rencontre sur ce cours d'eau.

Tableau 3-3 : Quantités de carbonates de calcium indicatives, exportées et précipitées par le système de la Coly entre novembre 1994 et septembre 1996.

Photo 3-5 : Niveau A2 formé de barrages à mousse, vallée de la Coly, Hauteur : 2 m sur une largeur de 40 m (cliché : F.HOFFMANN).

Photo 3-6 : Haut de chute du niveau A2 : largeur de la photo : 10 m. Les eaux s’écoulent de façon pédiculaire sur “ce plateau”, au contact de mousses et d’algues incrustantes (cliché : F. HOFFMANN).

3.3 - LES TRAVERTINS DE SOURCE ET LEUR HYDROCHIMIE : L’EXEMPLE DE LA SOURCE DU MOULIN FARFAL

3.3.1 - PRESENTATION GENERALE

270Une voie de recherche novatrice est possible par la mise en place de stations de mesure d'encroûtements sur supports artificiels, le croisement des données obtenues avec un suivi hydrochimique régulier et serré, et l'observation des rythmes d'implantation et de vie des végétaux incrustants. Le croisement de toutes ces données n'est possible que sur une petite source, dont l'encadrement est plus facile à réaliser que dans le cas d'une grosse émergence. Ce type d'approche est complexe car le nombre de paramètres à contrôler est important. Elle est sûrement une des rares voies de recherche qui permettent également de concilier les différentes approches disciplinaires que l'on peut faire du fonctionnement actuel. Elle permet notamment de relier variations hydrochimiques, vitesse d'encroûtements par la mesure des supports encroûtés et nature des sédiments déposés (calcimétries fines). Le choix de supports s'est porté sur des baguettes de verre.

271L'implantation de baguettes a été décidée en janvier 1996 après avoir constaté que la source du Moulin Farfal était capable de déposer des carbonates en hiver. Cela a été mis en évidence par des analyses hydrochimiques mensuelles débutées 15 mois auparavant. L'implantation de supports artificiels (bambous, tiges plastiques) a révélé au cours de l'été de la première année de suivi hydrochimique, des vitesses d'encroûtement relativement rapides (estimées à un peu plus de 5 mm/an).

272Nous avons donc décidé la deuxième année, de recommencer cette expérience de façon plus précise, en reliant notamment hydrochimie et vitesse de dépôt.

Figure 3-18 : Morphologie du travertin du Moulin Farfal et localisation de sites de mesures hydrochimiques.

Photo 3-7 : Dome algo-bryophytique, dépôt du Moulin Farfal, Cadouin. Hauteur : 3 m. A noter le vide sous la chute, et son importante végétation (cliché : F. HOFFMANN).

Photo 3-8 : Tufs de débordement, formés en quelques heures, en hiver, chute du Moulin Farfal. Ce type de processus nous renseigne sur l’initialisation des dépôts, où le support encroûté joue un très grand rôle (cliché : F. HOFFMANN).

Tableau 3-4 : Valeurs extrêmes des principaux paramètres physico-chimiques des points source, 30 M, et HC1 (valeurs anormales exclues, 24 échantillons entre octobre 1994 et septembre 1996).

273La source du Moulin Farfal, lieu d'implantation des baguettes, se situe sur le rebord occidental du plateau de la Forêt de la Bessède, plateau karstique riche en cuirasses ferrugineuses et recouvert d'une épaisse couche d'alternes principalement sableuses. Ce plateau s'appuie sur des calcaires fini-crétacés, essentiellement gréseux et relativement pauvres en magnésium. Cette source a édifié lors de la période holocène (période supposée), un dépôt de tuf sur lequel reposent des encroûtements actuels [HOFFMANN, 1995]. Deux autres sources, de débit et de composition hydrochimique différents (source de Bouzie et source de Saint Cernin) ont été équipées de baguettes a fin de comparaison.

274Dans un premier temps, il est nécessaire de préciser le fonctionnement hydrochimique de la source, à la fois dans le temps (étude diachronique) et dans l'espace (cinq points de mesure). Cette approche permet alors de mettre en évidence la dynamique complexe endokarstique et ses consequences sur le dégazage des eaux. Elle se double d'une approche spatiale et temporelle plus complète de la dynamique haut de chute/bas de chute. L'accent a été mis sur la/one d'implantation des baguettes. Puis, dans un deuxième temps, l'évaluation des rythmes de dépôt et la nature des dépôts obtenus ont permis de mettre l'accent sur les rythmes et les mécanismes d'encroûtements. Ceci autorise ensuite dans un troisième temps d'effectuer une comparaison avec d'autres sources de taille plus importante et de mieux cerner la dynamique actuelle des travertins de source.

3.3.2 - ETUDE DU FONCTIONNEMENT HYDROCHIMIQUE ET HYDRODYNAMIQUE DU TUF ACTUEL DU MOULIN FARFAL

275La source du Moulin Farfal est une petite source dont on peut estimer le module moyen à 25 1/s (point no1, Fig. 3-18). Elle ressort au sein des calcaires maastrichtiens gréseux dans ce secteur.

276Les eaux s'écoulent sur un plateau formé (point 30 M) par un tuf. Après une distance de 70 mètres environ, elles s'écoulent sous la forme d'une cascade de 8 à 10 m de hauteur (point HC1) et tombent dans un bassin de réception des eaux. A la sortie de ce bassin complètement encroûté (point BC1), les eaux s'écoulent sous la forme de petites cascatelles de quelques dizaines de centimètres de hauteur, avant de reformer une nouvelle chute de 2,50 m de hauteur (point BC2). Elles se jettent ensuite dans le Bélingou, petit affluent de rive gauche de la Dordogne.

A) Physico-chimie Des Eaux Du Moulin Farfal

277Avant d'entamer l'étude diachronique des différents points d’échantillonnage, il est nécessaire d'effectuer une caractérisation rapide de ces eaux. Pour simplifier notre présentation, nous avons volontairement séparé l'étude des trois points situés en amont de la zone d'implantation des baguettes, de celle des points qui encadrent cette même zone.

1°) Caractérisation des eaux des points en amont de la chute : l’importance des pressions en CO2

278-Le site no13, "Source", représente les paramètres de la source qui ressort sous la forme de multiples petits griffons, situés sous une couche de sables, provenant de matériaux de transit du karst (altération et piégeage karstique). Les valeurs de ce point font ressortir des caractéristiques d'une eau de source très minéralisée : faible amplitude des températures (entre 12,0°C et 15,5°C), pH relativement bas (6,67 à 7,16), fortes conductivités (entre 580 et 642 μpS/cm/cm2). Ces eaux sont très nettement sous saturées en carbonates comme l'indiquent les valeurs de pCO2 (entre 2,10 et 9,32 %, soit pour cette KARSTOLOGIA Mémoires No 13, Bordeaux, 2005 dernière valeur plus de 270 fois la teneur atmosphérique !), et les valeurs d'ISc (-0,66 à +0,04). Les eaux sont bicarbonatées-calciques, très faiblement magnésiennes en proportion (de 1,64 à 6,72 %) ;

279-le site no14, "30 M", se situe 30 mètres après la source et confirme de ce fait, la plupart des tendances évoquées (faible amplitude des températures : de 11,8 à 14,8°C), tout en commençant à acquérir certaines caractéristiques d’une eau de surface. Ce point tout comme le suivant, occupe une position intermédiaire : les pH sont en net augmentation (de 6,95 à 7,58), les minéralisations restent très élevées (entre 571 et 620 μS/cm/cm2). Les eaux de ce point tendent plutôt vers l’équilibre par rapport aux carbonates, souligné par des pCO2 moins fortes mais encore élevées (entre 0,78 et 3,50 %) et des valeurs d’ISc en nette progression (de-0,20 à +0,48). Les eaux conservent bien sûr leur faciès dominant avec une légère progression des proportions magnésiennes (entre 1,70 et 7,38 %) ;

Figure 3-19 : Les principales caractéristiques physico-chimiques du site “SOURCE Cadouin”, (P : précipitation moyenne mensuelle, station de Cénac).

280- le site no15, "HC1", se situe environ 40 m du point précédent et représentent le dernier point avant que les eaux se jettent dans la cascade. Elles confirment les caractéristiques précédentes et affirment leur nature de plus en plus superficielles : si l'amplitude de température est tout aussi faible, les valeurs de pH continuent en revanche leur progression (de 7,02 à 7,78), tout en conservant leur importante minéralisation (entre 561 et 624 μpS/cm/cm2). Le dégazage que subissent ces eaux amène un déplacement des équilibres vers une plus grande saturation par rapport aux carbonates. Les pCO2 s’abaissent (entre 0,52 et 3,16 %), et les valeurs d'ISc progresse sensiblement (de-0,12 à +0,69). Dans le même temps, la proportion magnésienne continue de progresser également (de 1,88 à 11,61 %). Sur ce site, et de façon donc très saisonnière, ces eaux peuvent devenir incrustantes au contact de certains bio-organismes, comme l'attestent certains encroûtements que nous avons pu récolter dans ce secteur. Mais, de façon globale, les eaux sont tout juste saturées quand elles pénètrent dans le secteur de la cascade.

2°) Evolution diachronique des points en amont de la chute

281Pour simplifier notre démarche, nous avons séparé en deux cette présentation, en commençant par les éléments du système calco-carbonique.

a) Les éléments du système calco-carbonaté

2821) Une minéralisation importante de la source liée à l’endokarst : la source du Moulin Farfal présente un fonctionnement mixte, à la fois en dilution et à la fois en concentration (Fig. 3-19). L'ombrogramme a été réalisé à partir des pluies mensuelles de la station météorologique de Cénac, distante du site d'environ 15 km. Les courbes de calcium et de bicarbonates montrent une tendance générale à suivre la forme de l'ombrogramme. Ceci nous faire dire que la tendance principale du fonctionnement de cette source, est un fonctionnement en concentration. Dans ce cas, on ne peut parler que de tendance, car si l'on pointe chaque donnée, on peut se rendre compte que régulièrement les données chimiques présentent une évolution parallèle puis opposée à la courbe des pluies. Les teneurs du système restent globalement élevées (Tab. 3-4), de 5,55 à 5,99 mé/l pour le Ca2+, et de 5,40 à 5,95 mé/l pour l'ion HCO3s.

283-Un fonctionnement soumis en partie au rythme des précipitations : ce fonctionnement complexe montre à quel point la source du Moulin Farfal reste soumise au rythme des précipitations. En effet, on peut se rendre que les deux années hydrologiques couvertes par nos campagnes sont fort différentes de ce point de vue là. 1995 apparaît plutôt comme une année "normale" où à un hiver modérément pluvieux succède une saison estivale marquée par une plus grande sécheresse, sans qu'elle soit excessive. Puis arrivent les pluies d'automne, typiques d'une région soumise aux influences océaniques. Mais 1996 ne montre pas la même physionomie. En effet, après des pluies hivernales assez marquées jusqu'en février, intervient un court épisode plus sec, suivi ensuite d'une lente croissance des précipitations, y compris lors de la période estivale, marquée par une certaine humidité.

284Les conséquences sur le fonctionnement de la source se voient assez bien. Dans un premier temps, en année conforme, le calcium est supérieur aux hydrogénocarbonates et les deux courbes suivent une évolution proche l'une de l'autre. A partir de l'hiver 1995, les bicarbonates redeviennent supérieurs au calcium et les deux courbes montrent des fonctionnements différents. Enfin, lors de la période estivale humide de 1996, la courbe des bicarbonates devient nettement supérieure à celle du calcium, et les deux courbes retrouvent une évolution parallèle. Ceci indique que ce karst répercute des séries de pluies qui influent directement sur le comportement des éléments mis en solution, sans qu’il existe un aquifère bien structuré pour réguler ces phénomènes.

285- Une réponse hydrologique du karst décalée : de plus, on constate bien un certain décalage entre la pluie et la réponse karstique. Ce décalage est d'environ deux à trois semaines. Ce temps a pu être estimé de façon empirique, en venant très régulièrement sur le terrain (environ tous les 10 jours). Ce décalage est très certainement du à la configuration des réseaux karstiques, très riches en argiles. Il favorise des circulations plus lentes dans les conduits et crée une certaine latence dans les réponses karstiques. Par contre, quasiment tous les épisodes pluvieux trouvent leur réponse, témoignant ainsi de l’absence de nappe pouvant amortir ces différents épisodes.

286On peut imaginer alors que le réseau karstique de ce secteur se présente plutôt comme un réseau de fentes élargies, de petits conduits plus ou moins obstrués, recouvert par un manteau d'altérites. Toutes ces conditions permettent alors aux eaux de circuler lentement et de se minéraliser. Leur importance est soulignée de façon indirecte par les teneurs en silice que l'on peut mesurer à la source, entre 9 et 12 mg/l de SiO2. Ces teneurs sont les plus fortes enregistrées parmi toutes nos valeurs.

287Ici, ce n'est pas la distance qui est responsable de la minéralisation des eaux, mais leur temps de parcours. Ces vidanges successives expulsent des eaux de minéralisation différentes mais toujours très élevées. Les éventuels phénomènes de dilution que l'on constate amènent des eaux présentant toujours une minéralisation supérieure à 550 µS/cm/cm2. Ceci n'entrave donc pas les phénomènes de travertinisation et peut tout au plus les ralentir.

288- L’importance des ruissellements lors des épisodes de pluies : à ces phénomènes purement endokarstiques, nous avons pu constater dans certaines conditions pluviométriques exceptionnelles, des phénomènes de dilution dans la source, dus à des écoulements superficiels provenant des terrains recouvrant le karst. Il peut se former de petites rigoles pouvant amener des eaux de ruissellement relativement rapidement dans la source, sans qu'elles aient un parcours karstique (une partie pouvant s'infiltrer au dernier moment). On peut avoir alors concurrence des deux phénomènes, avec l'expulsion d’eaux plus ou moins minéralisées par le karst, diluées ensuite de façon superficielle. Ces différentes origines possibles des eaux de dilution compliquent sérieusement le schéma classique d'évolution entre minéralisation et débit/pluviométrie.

289- Une certaine régulation hydrochimique due en grande partie à l’endokarst : malgré un fonctionne ment complexe polyphasé en fonction du régime des pluies, la latence de fonctionnement constatée crée un certain nivellement des variations mensuelles des minéralisations carbonatées. Que ce soit le calcium ou les bicarbonates, ils ne présentent guère de différence allant au delà de 0,4 meq/l pour le premier, 0,6 meq/l pour le second. Les plus grandes variations de ce dernier tiennent au plus ou moins grand degré d’hydratation du gaz carbonique. En effet, ces circulations lentes et à proximité de la surface facilitent le transit du CO2 biogénique, dans de grandes proportions. Les très fortes pCO2 constatées à la source en témoignent. Nous reviendrons en détail sur cette dynamique du CO2 qui commande en grande partie la travertinisation dans ce secteur.

Figure 3-20 : Les principales caractéristiques physico-chimiques du site “30 M Cadouin”, (P : précipitation moyenne mensuelle, station de Cénac).

290Ce fonctionnement se retrouve inscrit dans les autres paramètres du système calco-carbonique. La courbe de proportion en magnésium et celle de la teneur de cet élément, montrent une évolution typique, en opposition au calcium. Elle évolue entre 1,64 et 6,72 %, pour des teneurs comprises entre 0,10 et 0,38 mé/l de Mg2+. Cette opposition n'est pas systématique du fait de la complexité de fonctionnement d’ensemble. Cependant, on remarque très bien qu’à de plus fortes proportions en saison chaude s’opposent de plus bas niveaux en hiver. Elles suivent en cela une évolution différente de celle du pH dont la qualité est moyenne, même si la plupart des valeurs se trouvent corrélées par d’autres paramètres. Le pH semble montrer des valeurs nettement plus élevées en situation de hautes eaux, relativement indépendamment de la saison. Ils restent cependant très bas et n’autorisent pas la travertinisation directement à la source (entre 6,67 et 7,16). Il confirme les phénomènes que nous avions constatés en mesurant le CO2 dissous à la source [entre 44 et 95,7 mg/l de CO2 ; HOFFMANN, 1998]. En niveau général de hautes eaux, la source se trouve alors proche de l’équilibre. Les températures restent calées sur un fonctionnement saisonnier classique (plus fortes températures dans l’eau en été), mais présentent une amplitude faible (entre 12,0 et 15,5°C). On ne peut pas alors la qualifier d’homotherme vraie (NICOD, in litteris).

Figure 3-21 : Les principales caractéristiques physico-chimiques du site “HC1 Cadouin”, (P : précipitation moyenne mensuelle, station de Cénac).

2912) Des changements hydrochimiques rapides : 30 mètres après leur réapparition, les eaux ont déjà subi un certain nombre de changement (Fig. 3-20). Les courbes de calcium et de bicarbonates du point 30 M montrent une plus grande tendance au fonctionnement en concentration. Les teneurs du système restent globalement élevées (Tab. 3-4), de 5,46 à 5,81 mé/l pour le Ca2+, et de 5,60 à 6,02 mé/l pour l'ion HCO3-. Elles corrèlent mieux le profil général de l'ombrogramme. La supériorité de l'ion HCO3- en période plus humide se confirme. D'ailleurs, il est en légère augmentation, tendance qui se confirme au point suivant. Elle semble due à un certain rééquilibrage au sein de l'eau, du CO2 dissous et des formes hydratées de cet élément. En effet, au fur et à mesure que les eaux connaissent un dégazage, la pression au sein du liquide diminue et autorise alors une plus grande proportion du même élément sous forme hydratée. On remarque la faible amplitude des variations des deux courbes.

292- Le démarrage du dégazage : l'ensemble du système commandant la saturation se déplace alors du fait du dégazage des eaux vers une plus grande saturation. Celle-ci est toujours trop faible pour autoriser la précipitation. De façon globale, les courbes montrent une évolution de plus en plus importante en dent de scie, signe d'une certaine instabilité des paramètres. Seul le pH semble se situer à un niveau assez élevé, notamment lors de périodes humides (été ou hiver). L'infiltration d'eau en quantité importante amène un certain dégazage général qui imprime sa marque dans la dynamique des eaux de surface.

293Le magnésium garde une dynamique similaire au point précédent, toujours très lié au rythme des pluies, entre 1,70 et 7,38 %, pour des teneurs comprises entre 0,10 et 0,45 mé/l de Mg2+. De ce fait, il exerce une influence mineure sur la saturation, qui reste principalement commandée par le pH (dynamique de dégazage, avec des valeurs comprises entre 6,95 et 7,58). Il est à noter tout de même la bonne corrélation existant entre les pH très élevés de la courbe et le moment où les bicarbonates deviennent supérieurs au calcium. Ce point situé vers juillet/août 1995 marque un tournant dans la dynamique des eaux (changement de type d’année hydrologique).

2943) Une saturation de plus en plus importante : le point HC1 (Fig. 3-21) confirme globalement les évolutions déjà évoquées au point précèdent. L'ensemble du système se déplace encore d'un cran dans la saturation. Le calcium conserve toujours une certaine stabilité avec des teneurs comprises entre 5,50 à 5,82 mé/l pour le Ca2+, alors que les bicarbonates connaissent à nouveau une plus grande amplitude de variation, de 5,30 à 6,10 mé/l pour l'ion HCO3-. Celle ci se retrouve dans l'allure de la courbe, plus chaotique. Cependant, elle marque mieux la tendance au fonctionnement en concentration. Ces eaux connaissent un certain nombre de rééquilibrage du fait du dégazage, et à ce niveau, les deux courbes montrent une meilleure adéquation au profil de l'ombrogramme.

295Les eaux se placent la plupart du temps en saturation légère, n'autorisant les phénomènes de précipitation que lors de très courtes périodes. La courbe de proportion magnésienne se caractérise par une plus grande proportion de magnésium (issu des rééquilibrages chimiques semble fil), qui se situe entre 1,88 et 11,61 %, pour des teneurs comprises entre 0,11 et 0,70 mé/l de Mg2+. La corrélation entre température et pH n'est pas bonne, indiquant que le dégazage et le rééquilibrage chimique des eaux commandent alors la cinétique du pH. L'éventuel réchauffement des eaux n'exerce qu'une influence très mineure sur la cinétique de dégazage, dans ce système.

b) Les autres éléments : l’importance des polluants

296Très rapidement, les variations de ces éléments amènent quelques indications précieuses sur le fonctionnement global de la source du Moulin Farfal.

297* Les teneurs en sodium et en potassium montrent un système quasi invariable dans le temps, surtout pour les deux sites de surface. Il faut alors de grandes pluies comme en janvier 1996 pour faire légèrement fléchir la courbe.

298Les teneurs ont toujours été plus élevées à la source qu'aux deux points suivants, sans que l'on puisse invoquer systématiquement une interaction avec la végétation. Par contre, il est intéressant de noter que les chlorures sont toujours inférieures à la somme sodium+potassium. Il faut y voir là un trait du karst, et notamment dans la nature des argiles qu'il referme. Les teneurs en sodium et en potassium y sont plus fortes qu'ailleurs, suivant également le gradient d'éloignement par rapport à la mer que l'on a pu démontrer sur notre terrain. Ce point est situé bien à l'ouest par rapport aux points présentés dans cette troisième partie.

299* Le deuxième élément qui joue un rôle important est représenté par les nitrates dont les teneurs peuvent atteindre parfois 15 mg/l. La présence d'une stabulation juste au dessus de la source est très certainement à l’origine des fortes teneurs constatées. Ils permettent le développement d’une flore très dense dans le lit même de la source.

300* Les sulfates toujours très faibles ont eux aussi, un comportement intéressant. Ils montrent en règle général de plus fortes teneurs en saison chaude, et un abaissement en saison froide. Ceci est particulièrement vrai pour le point 30 M, mais reste une tendance. Leur disparition semble correspondre aux plus forts épisodes de dilution.

301* Enfin, les courbes de phosphates des trois points montrent une dynamique sous forme de pics que l’on peut mettre très souvent en relation avec des pics de lessivage (janvier 1996, par exemple), mais les teneurs restent assez faibles de façon générale. L'ensemble de ces dynamiques demanderait à être cerné de façon plus précise.

Tableau 3-5 : Valeurs extrêmes des principaux paramètres physico-chimiques des points BC1 BC2, (Valeurs anormales exxclues. 24 échantillons entre octobre 1994 et septembre 1996)

Figure 3-22 : Les principales caractéristiques physico-chimiques du site “BC1 Cadouin”, (F : précipitation moyenne mensuelle, station de Cénac).

3°) Evolution diachronique des points en aval de la chute

302De façon globale, les deux points BC1 et BC2, qui encadrent la zone d'implantation de la station de mesure des encroûtements, présentent une cinétique de fonctionnement relativement différente des trois points situés sur le plateau.

a) Les éléments du système calco-carbonaté

3031) L’amorce des précipitations de carbonates dans un contexte de chute : le point BC1 (Fig. 3-22) se situe donc à la sortie du bassin de réception des eaux.

304Il est donc en aval de la chute principale et de la zone d'encroûtements située au pied de la chute d'eau. Ce secteur se caractérise par un dépôt très intense de tufs, visible à la fraîcheur des sédiments déposés.

305- La baisse des teneurs en calcium et bicarbonates : les courbes de calcium et de bicarbonates se singularisent à la fois par un abaissement global des teneurs et par un profil différent. Le premier répond à l'intense dépôt constaté un petit plus en amont (pied de la chute) et se retrouve dans les valeurs, de 4,41 à 5,55 mé/l pour le Ca2+, et de 4,69 à 5,80 mé/l pour l’ion HCO3-. Le profil est lui caractérisé par un maintien assez haut des teneurs en hiver, mais par un très net fléchissement des courbes en été (qui débute dès mars 1995 et s'affirme surtout à partir d'août 1995). Le maximum de fonctionnement de la travertinisation est alors reporté en fin de saison chaude. Puis, il remonte sensiblement lors de l'hiver 1996, période à laquelle nous avons implanté nos baguettes, sans connaître d'abaissement lors du début de la saison chaude de 1996. Les courbes ne semblent plonger à nouveau qu'au dernier point (fin septembre 1996). Ce profil répond à deux phénomènes principaux :

306- d'une part, si les eaux fonctionnent en concentration, on doit constater un léger fléchissement des courbes du système calco-carbonaté, en été ;

307- d'autre part, et c’est le facteur principal, l'intensité des dépôts est telle, qu'elle est soulignée par l'importance des quantités précipitées. Les courbes baissent au moment où la saison est la plus favorable (été).

308La courbe de saturation souligne également le profil des deux courbes précédentes, mais de façon négative. En effet, on note la convergence progressive, dans la première partie de la figure 3-22, des courbes d'ISc et de proportion magnésienne. Cette dernière se situe entre 0,89 et 9,82 %, pour une teneur en Mg2+ de 0,05 à 0,55 mé/l. Les ISc qui évoluent entre 0,44 et 0,85, progressent au fur et à mesure du déroulement de la saison chaude pour culminer en août 1995, corrélativement à l’assèchement progressif de la saison. La courbe de proportion magnésienne suit la même évolution marquant une participation de cet élément aux phénomènes de saturation. Puis, à partir de janvier 1996, suite aux séries de pluies qui s'abattent dans l'ensemble de la région, on note un changement de fonctionnement karstique important, marqué par le découplage des courbes d'ISc et de proportion magnésienne. Les ISc se maintiennent en effet à un niveau élevé, alors que la courbe de proportion connaît une certaine décroissance printanière "anormale" (lente croissance en cette saison), du fait du soutien des pluies pendant cette période. Cependant, même lors de ce découplage, on retrouve un certain phasage (évolution parallèle, notamment entre avril et juillet 1996), montrant le lien qui existe entre ces deux variables. Dans l'ensemble, le système tend vers une plus grande saturation des eaux, avec de nombreuses valeurs d'ISc se situant en zone de sursaturation.

309- L’importance des dégazages au niveau de la chute : les températures connaissent une plus grande amplitude, qui reste tout de même modeste pour des eaux de surface (entre 10,5 et 15,3°C). Elles suivent un rythme saisonnier et sont découplées de l'évolution de la courbe de pH. Cette dernière évolue donc en fonction du dégazage en CO2 de l'eau, et dans une certaine mesure, des variations chimiques. Ces valeurs se situent à un niveau plus élevé, comprises entre 7,61 et 8,06. La chute d’eau exerce donc bien une action vigoureuse au niveau de ce dégazage. Le fait que cette courbe présente plus de pics indique également la plus grande instabilité de ces eaux, dans un secteur où la travertinisation est intense.

3102) Une confirmation des tendances sur le point BC2 : le point BC2 (Fig. 3-23) possède des caractéristiques très proches du point précédent. Les courbes de calcium et de bicarbonates présentent une physionomie semblable au point BC1, avec des valeurs légèrement inférieures. Les teneurs se situent entre 4,27 et 5,43 mé/l pour le Ca2+, et de 4,62 à 5,55 mé/l pour l'ion HCO3-. Elles soulignent l'intensité des phénomènes de précipitation, notamment en saison chaude.

311Plus significatif, la courbe de proportion en magnésium montre un comportement plus erratique. Les teneurs, comprises entre 0,10 à 0,65 mé/l de Mg2+, varient fréquemment et ne sont plus soumises aux variations de débit et des pluies. Cet élément qui participe directement aux phénomènes de saturation a donc un comportement propre, comme pour le point précédent, tenant compte des quantités précipitées. Il tend en proportion à être plus élevé, entre 1,88 et 11,61 %.

312Hormis le début de la courbe, cette zone reste inscrite la plupart du temps, en état de sursaturation, provenant de l'important dégazage des eaux, souligné notamment par les valeurs de pH (entre 7,65 et 8,19). On retrouve également une meilleure adéquation entre température et pH, signalant que le premier paramètre exerce à nouveau une influence sur les phénomènes de saturation au moment où les eaux sont très dégazées. On peut alors avoir successivement différents paramètres, physiques et chimiques, qui exercent une influence sur la saturation, en fonction de l'année, de l'état de la végétation, des rythmes de pluies. Ce secteur demeure à l'ombre la plupart du temps, comme le souligne le faible réchauffement des températures estivales notamment (amplitude comprise entre 10 et 15,3°C).

b) Les autres éléments

313Très rapidement, les chlorures, et la somme sodium+potassium, ne semblent pas interagir avec les milieux de dépôt, et répercute la cinétique présentée au niveau de la source. Les nitrates se situent à un niveau légèrement plus faible par rapport à la source.

314Cependant, l'alimentation chronique du karst par ce polluant dépasse largement la capacité de retraitement naturelle des plantes situées sur l'ensemble du dépôt. C'est ce qui explique que l'on retrouve encore des valeurs assez élevées, même au niveau du point BC2, entre 0,12 et 0,25 mé/l, soit de 7,44 à 15,5 mg/l de NO3-

315Les sulfates présentent également, tout comme les trois points du plateau, de plus fortes teneurs en hiver par rapport à l'été. De même, on retrouve le même mode de restitution des phosphates, sous forme de pics.

Figure 3-23 : Les principales caractéristiques physico-chimiques du site “BC2 Cadouin”, (P : précipitation moyenne mensuelle, station de Cénac).

B) Le dégazage des eaux et la dynamique travertineuse

316Pour simplifier notre approche, on peut effectuer un bilan de la sédimentation en deux temps : par l'analyse des pCO2 d'une part, et en effectuant une évaluation des quantités précipitées d'autre part.

1°) L'analyse des pCO2

317Avant d'analyser plus à fond la figure 3-24, il est nécessaire de préciser quelques faits. Notamment, nous avons rencontré quelques problèmes lors de l'utilisation d'un des deux pHmètres que nous avons utilisé. Ceci se retrouve dans l'allure de la courbe de pCO2 de la source du Moulin Farfal.

318Cette courbe présente une brusque chute des valeurs, de 9,3 % à un peu plus de 2,5 %, lors des mois de mai et juin 1995. Cette chute brusque n'a pas été enregistrée dans les mesures de CO2 dissous. Ce calcul de pCO2 fictive reste très inféodé à la qualité de la valeur de pH mesurée. Nous pensons donc que cette période de transition ne se marque pas par une chute aussi brutale.

319Au contraire, dans un karst de subsurface (20-30 m en dessous de la surface), qui doit par définition répercuter en grande partie les variations de CO2 d'origine biogénique, on voit mal comment une baisse pourrait intervenir au moment où la végétation est en pleine croissance !

320C'est pour cela que nous serons très prudent dans la description et l'interprétation de la courbe. Cette fragilité des données n'a, heureusement, que peu de conséquences sur la dynamique de la zone d'implantation des baguettes (eau très dégazée). Malheureusement, elle doit nous inviter à la prudence, concernant la variabilité des années hydrologiques et leur conséquence sur le fonctionnement karstique.

Figure 3-24 : Variations des pCO2 des points source, 30 M et HC1 de la source du Moulin Farfal ; P : précipitations en mm (station de Cénac).

Figure 3-25 : Variations des pCO2 des points HC1, BC1 et BC2 de la source du Moulin Farfal.

321- Des pressions en CO2 très fortes à la source : globalement, les pCO2 sont très élevées à la source et reflètent certaines caractéristiques déjà avancées lors de la présentation de l'hydrochimie de celle-ci. Ces fortes valeurs, comprises la plupart du temps entre 3 et 6 % d'atmosphère (soit entre 90 et 180 fois la pression de cet élément dans l'atmosphère) proviennent de la structure karstique elle-même. Ce CO2 dont l'essentiel est d'origine biogénique, provient de circulation lente dans un karst bourré d'argiles formé de petits conduits, qui empêchent d'éventuels dégazages. Ce karst permet alors de restituer d'importantes pCO2 dont on connaît le rôle équilibrant de la phase chimique. Elles autorisent à leur tour la mise en solution de grandes quantités de calcium et de bicarbonates dissous, favorisées par ces circulations lentes. Elle joue donc un rôle capital dans les processus de minéralisation des eaux et dans l'intensité de la dissolution karstique.

322Si l'origine de CO2 est essentiellement biogénique, on peut s'attendre alors à avoir les plus grandes concentrations lors de la saison chaude, au moment où la végétation et l'activité biologique des sols connaissent leur phase de fonctionnement maximale.

323La forme de la courbe n'est en rapport ni avec un tel fonctionnement, ni même avec celle des débits, ce qui est problématique. En revanche, quelles que soient les valeurs, on note bien l'intensité du dégazage entre la courbe source et celle du point 30 M, soulignant qu'en quelques minutes, les eaux perdent plus de la moitié de leur pression en CO2. Ce phénomène semble d'autant plus intense que la pression est forte à l'origine. Les teneurs du point 30 M se situent généralement aux alentours 1,5 %, pression relativement élevée et qui explique en partie pourquoi on ne constate pas d'encroûtements en ce point.

324- Une cinétique quasi linéaire du dégazage en CO2 : La courbe du point HC1 souligne un processus relativement linéaire dans le dégazage, par la forme très parallèle de cette courbe avec le point précédent. Hormis en début du graphe, ces courbes semblent montrer des pics en relation avec d'importants volumes de précipitations (janvier 1996, août 1996, notamment). Le dégazage continu des eaux amène un abaissement de leur pression partielle, se situant en moyenne aux alentours de 1 % sur le site HC1 Ceci peut provoquer saisonnièrement des saturations suffisamment fortes pour qu'au contact de certains végétaux incrustants (réseaux racinaires de mousses), certains encroûtements se forment.

325- Des pCO2 qui s’affaiblissent vers l’aval : on retrouve les mêmes tendances sur les pCO2 des points BC1 et BC2 (Fig. 3-25). On peut y lire toute l'action de dégazage entraînée par la chute principale, qui permet alors à des eaux en déséquilibre avec leur phase gazeuse, de devenir pleinement incrustantes. L'abaissement des pressions entre 0,3 et 0,8 %, permet alors la mise en place de sursaturations importantes. Les deux courbes présentent un décalage linéaire, preuve que ce dégazage continue jusqu'à la seconde chute (BC2). De plus, elles répercutent les mêmes variations que la courbe du point HC1 Cela souligne qu'une partie des phénomènes de dégazage (et de saturation) se prépare bien en amont de la zone incrustante. C'est ainsi que la dynamique d’ensemble reste soumise au fonctionnement saisonnier de l'endokarst. Cette influence se fait bien sûr plus sentir dans la première partie de la chute d'eau, au début de la zone de dépôt, que dans celle des baguettes où l’important et constant dégazage des eaux autorise une sursaturation permanente, même en hiver.

Figure 3-26 : Teneurs en CO2 dissous dans les cinq sites d'échantillonnage du système du Moulin Farfal, variations saisonnières et cinétique de dégazage.

326L'étude de la figure 3-26 retrace la dynamique du système par l'analyse des quantités de CO2 dissous dans l'eau. Bien que cette technique soit relativement peu précise, on retrouve certains éléments concordants, notamment dans la cinétique de dégazage des eaux (lecture de gauche à droite). On voit parfaitement que l'essentiel du dégazage s'effectue sur le plateau (trois premiers points), notamment entre les deux premiers sites. L'autre évolution notable est que la croissance des teneurs à la source décale principalement les trois premiers points, la chute d’eau principale assurant une sorte de permanence des valeurs faibles en aval, et favorise donc un dégazage constant des eaux.

327Par contre, il est clair qu'une différence est notable par rapport aux diagrammes précédents. La croissance des teneurs en CO2 dissous suit bien un rythme saisonnier, avec une forte croissance printanière des valeurs (jusqu'à 96 mg/l). Elle suit en cela le réveil de la végétation et des différents acteurs bio-pédologiques.

Figure 3-27 : Quantités de CaCO3 précipités, amplitude du pH et de l’ISc entre les sites HC1 et BC1, (source du Moulin Farfal, Cadouin).

2°) L'intensité des phénomènes de précipitation

328Nous avons appliqué la même méthode qu'aux deux sites de rivière, en mesurant à la fois les différences de valeurs de pH, et d'ISc, ainsi que les quantités précipitées estimées par calcul à partir des valeurs de calcium (méthode similaire à celle appliquée sur la Coly).

329a) Le rôle important des chutes dans les phénomènes de saturation : La figure 3-27 représente l’état de la précipitation au niveau de la chute principale et du bassin de réception, entre les points HC1 et BC1, c'est-à-dire en amont de la zone d'implantation des baguettes.

330Les valeurs d'ISc, dont on peut rappeler qu'elles font appel à la fois aux phénomènes de dégazage et à la fois aux variations chimiques montrent d'importantes différences entre le haut de la chute et le bas de la chute. On voit très bien ici l'effet de cette dernière dans la préparation de la saturation des eaux. Ces différences de 0,4 à 0.6 points représentent de véritables déstabilisations du milieu. Il faut y voir l’influence de plusieurs phénomènes :

331- le rôle du dégazage en CO2 : tout d’abord, c'est essentiellement le dégazage des eaux en CO2 qui est responsable de telles amplitudes. Elles sont d'autant plus grandes que l'on s'avance dans la saison chaude, jusqu'à juin/juillet 1995, et entre mai/juin 1996. Enfin de saison estivale, la baisse des différences fait appel à d'autres causes (cf. infra) :

332- le rôle des organismes incrustants : c'est également le rôle joue par certains organismes incrustants dans l’activation du dégazage en CO2 : la présence de mousses et d'encroûtements racinaires associés montre le rôle joué par ces organismes dans de tels processus ;

333- l'intensification des échanges gazeux : la convergence de phénomènes chimiques amplifie la saturation avec notamment un réchauffement des températures dans l'eau et dans l’air. La plus grande différence entre ces deux milieux intensifie les échanges gazeux. De plus, de plus grandes proportions magnésiennes, dont on sait que sur ce site elles corrèlent en partie les courbes d'ISc, jouent dans le sens d'une plus grande saturation ;

334- le rôle de la morphologie des chutes : le rôle de la morphologie de la chute active les phénomènes de dégazage, avec la constante modification de la vitesse de circulation des eaux, leur étalement, leur éclatement au pied de la chute. Tous ces phénomènes tendent vers une plus grande interface eau/air, et une modification des paramètres physico-chimiques de l'eau.

335On peut remarquer que le profil du diagramme des différences d'ISc est un négatif de celui des quantités précipitées, au sens où les plus fortes différences semblent en relation avec les quantités précipitées les plus faibles. En fait, les évolutions sont un peu plus complexes :

336- un mécanisme continu de précipitation toute l'année : le système est marqué en hiver par un dégazage sensible et des phénomènes de saturation constants qui permettent une précipitation modérée entre 4 et 12 mg/l de CaCO3, entre novembre 1994 et mars 1995 ;

337- une intensification des phénomènes au printemps : puis, le réveil de printemps, qui semble intervenir en avril et qui s'est traduit par un abaissement du niveau d'eau de la source, se traduit dans les mois qui suivent par une intensification des phénomènes de précipitation, de 20 à 28 mg/l, entre avril 1995 et août 1995. Les deux différences (ISc et pH) montrent une évolution similaire et indique une plus grande saturation saisonnière, aidée en cela par certains bio-organismes (colonisation de l’ensemble de l'édifice par des algues vertes à partir de mars ; dans le même temps, et du fait d’une certaine constance des paramètres du milieu, les micro-organismes semblent fonctionner toute l'année, permettant sûrement les encroûtements d'hiver) ;

338- une intensité maximale en fin d’été : à la fin de la saison chaude, on assiste à un certain "emballement" du système, où la saturation commence à diminuer, tout en restant dans des valeurs très fortes, jusqu'en novembre 1995. Les quantités précipitées sont de plus en plus importantes, et croissent de 15 à 20 mg/l chaque mois. Le point culminant de ce fonctionnement intervient en novembre 1995, avec un peu moins de 72 mg/l de CaCO3 précipités. L'intensité de cette précipitation est telle qu'elle entraîne une baisse de la saturation. Là, tout en connaissant de petites différences des valeurs de pH, on a arrêt de l'évolution de la saturation, qui demeure toujours à un niveau très élevé. C'est une première tentative des eaux à un retour à l'équilibre entre les divers phénomènes qui gouvernent cette saturation.

339Ce freinage amorce alors une diminution des quantités déposées, en rapport avec la moins grande activité des bio-organismes incrustants et de la modification de certains paramètres physico-chimiques (baisse des températures, diminution de la proportion magnésienne notamment, Fig. 3-22 et 3-23). Les quantités chutent brutalement, pour retrouver un minimum en janvier 1996, proche de 10 mg/l ;

340- jusqu'en août 1996, les quantités précipitées restent relativement faibles par rapport à l’année précédente, même en été. On retrouve ici le marquage des deux années hydrologiques différentes. Les différences d'ISc et de pH montrent la même évolution avec une légère croissance progressive jusqu'au printemps 1996, puis un lente baisse dans les mois d'été. Elle n’est pas relayée par des quantités plus importantes, et montre un changement de fonctionnement du système de dépôt ;

341- enfin, la très forte valeur du mois de septembre (45 mg/l), bien corrélée par une baisse brutale de la différence ISc, tient à la conjonction de deux phénomènes : elle semble confirmer une tendance naturelle, où les phénomènes sont plus intenses en fin de saison chaude, et à la fois elle résulte d'une intervention anthropique. Les propriétaires de la source recreusent très souvent une petite rigole pour faciliter l'écoulement des eaux et éviter leur débordement. En menant une telle action, ils mettent à vif les tufs des années précédentes et créent un support d'encroûtement très anguleux (nombreuses arêtes vives). Cette action multiple la surface de contact et permet d'importants dépôts au moment où les conditions physicochimiques semblent le plus favorables. Il est à noter la rupture d'un mois à l'autre, alors que dans la saison précédente, on assistait à une lente évolution. On peut dire ici que cette intervention humaine a provoqué une brusque déstabilisation du milieu, uniquement en modifiant la qualité et la structure du support des encroûtements.

342On a ici également un élément de réponse afin d'expliquer la très grande intensité des phénomènes en octobre/décembre 1995. En plus de la convergence de phénomènes favorisant les dépôts, la chute des feuilles permet l'apport de nombreux supports pouvant être encroûtés et multiplie les surfaces de contact support/eau.

Figure 3-28 : Quantités de CaCO3 précipités, amplitude du pH et de l’ISc entre les sites BC1 et BC2, (source du Moulin Farfal, Cadouin).

343b) Des phénomènes qui se poursuivent jusqu’en aval : la figure 3-28 représente l'état de la saturation au niveau de la zone d’implantation des baguettes. Les deux points encadrants ne sont distants l'un de l'autre, que de quelques mètres. Cette distance a cependant permis d’enregistrer certains phénomènes, montrant la cinétique très rapide des mécanismes de dépôt.

344Même si l'échelle du graphe est plus grande, les différences entre les deux bas de chute, tant au niveau du pH qu'au niveau de l'ISc, montrent des valeurs proches de 0,15 points. Plusieurs remarques peuvent être faites :

345- le système montre une évolution globale positive dans les phénomènes d'incrustation, montrant que les eaux n'ont pas retrouvées leur équilibre par rapport aux carbonates ;

346- les quantités précipitées (et dans ce secteur, on peut les qualifier de "déposées"), demeurent relativement importantes en valeur : entre 2 et 24 mg/l de CaCO3. Elles apparaissent en négatif du graphe de la figure 3-27 : au fur et à mesure que les quantités précipitées augmentent entre le point HC1 et BC1, les quantités diminuent entre les deux bas de chute et réciproquement. Ceci se voit parfaitement lors de l'année 1995.Il semble donc que l’on ait une évolution spatiale des phénomènes de dépôts, avec une nette influence amont/aval marquée par une certaine réversibilité de fonctionnement (spatialisation de l'intensité de dépôt) ;

347- les très fortes quantités déposées en hiver 1995 correspondent à un blocage de la saturation (ou en tout cas, un freinage de l'évolution des phénomènes qui la commandent) à un fort niveau et marque là aussi une tentative de retour à un certain équilibre par les eaux. Cette corrélation est de bonne qualité, puisqu'on l’a retrouve également en mai/juin 1996, avec des quantités de 12 à 18 mg/l ;

348- le fonctionnement de ce secteur semble plus soumis aux phénomènes intervenant en amont qu'à un réel fonctionnement saisonnier. Les conditions de saturation sont telles que les eaux dans cette zone peuvent déposer des carbonates en permanence.

349Toutes ces caractéristiques doivent être prises en compte pour la présentation de la station, et l'éventuelle comparaison que l’on peut faire avec d'autres systèmes de dépôt.

3.3.3 - STATIONS DE MESURES D'ENCROÛTEMENTS

350Avant d'analyser les résultats de ces stations, il est nécessaire de préciser le contexte général du fonctionnement du tuf du Moulin Farfal, en complément de l'analyse faite précédemment.

A) Caractéristiques hydrodynamiques et fonctionnement hydrochimique du tue

1°) Caractéristiques des écoulements

351La zone de dépôt débute donc légèrement en amont de la chute, et correspond à la référence HC1 P87 (Fig. 3-29 ; cette référence correspond également à une calcimétrie). Divers organismes y sont associés. Les macroalgues et mousses se répartissent dans cette zone en fonction des conditions hydrodynamiques et très certainement hydrochimiques (chute d'eau, eau calme, dégazage CO2, oxygénation, etc.).

352Avant de basculer dans la chute, les eaux sont canalisées dans une sorte de gouttière naturelle formée par des mousses. Leur vitesse connaît alors une accélération, ce qui facilite le dégazage.

353- le rôle supposé des mousses : on peut supposer également que le réseau racinaire des mousses joue un rôle dans ce dégazage. Puis, les eaux arrivent sur une sorte de petit replat où leur vitesse ralentit au contact de diverses plantes d’eau (dont une espèce de menthe aquatique), avant de se jeter dans la chute proprement dite (photo 3-7). Les eaux coulent alors au contact d'algues filamenteuses, dont l'encroûtement forme parfois des petites colonnes de 1 à 2 m de hauteur. Ces dernières sont fragiles et sont souvent détruites par les crues d'hiver.

354Les eaux s'éclatent dans une vasque naturelle cernée par des mousses et des algues vertes et bleues. Cette action entretient également des tufs d'aspersion, à la périphérie du bassin de réception. Dans la vasque, on trouve toute sorte d’objets encroûtés. Les eaux s'écoulent ensuite sous la forme de petites cascatelles sur diverses espèces d'algues, dont la colonisation s'étend du mois de mars à novembre. Puis, les eaux contournent un gros bloc effondré, représentant un ancien front de chute qui s'est écroulé sous son propre poids.

355- Des écoulements turbulents : l'implantation des baguettes se situe dans une zone où l'écoulement est relativement turbulent, composé de cascatelles coulant sur un plancher tuffeux (Fig 3-29 ; photos 3-9 et 3-10). Cette zone reçoit un approvisionnement en eau relativement constant, un bassin de réception de la chute d’eau principale assurant cette constance. En cas de crue, l'eau s'écoule du bassin par simple débordement et ne se dirige pas vers la zone des baguettes. Par contre, si le niveau d'eau baisse à la source, le niveau du bassin décroît et les écoulements au niveau de la zone des baguettes diminuent. Cependant, ce bassin assure toujours une alimentation minimale de la zone d'implantation.

2) les principales caractéristiques de fonctionnement de cette zone

356Le fonctionnement en permanence de ces mécanismes d'encroûtement peut être imputable à plusieurs séries de causes, en reprenant la classification de NICOD, 1986 :

357- une faible amplitude de températures relativement élevées : elles facilitent le dégazage des eaux et donc les phénomènes de saturation. Leur légère augmentation à la "saison chaude" ainsi que la plus grande activité des organismes incrustants (surtout ceux soumis à un fonctionnement de type chlorophyllien) semblent responsables de l'augmentation du rythme de dépôt enregistrée en mai/juin 1996 (Fig. 3-30). Il est à noter le niveau très bas concernant les quantités précipitées au mois de juillet ;

358- des minéralisations élevées : selon le fonctionnement de la source (vraisemblablement en concentration), on peut obtenir des minéralisations fortes à n'importe quelle saison. Cependant, cette situation est très variable d'une saison a une autre, voire d'une année à une autre ;

359- des sursaturations très fortes et soutenues tout le long de l'année : ceci est mis en valeur par le pH des eaux et sa comparaison avec les valeurs obtenues par l’ISc. Les loties différences d'un point à un autre révèlent une intensité de fonctionnement importante ;

360- une importante masse végétale fonctionnant quasiment toute l'année et participant de façon active à la saturation des eaux : schématiquement, la période de fonctionnement des macrovégétaux se situe entre mars et novembre pour les algues vertes, vraisemblablement toute l'année pour les mousses et les micro-organismes :

361- enfin, des conditions hydrodynamiques assurant un dégazage important des eaux, cette zone se situant après une chute d'eau de plusieurs mètres de hauteur (Fig. 3-29).

362Il est difficile de préciser la période de fonctionnement des micro-organismes, mais l'on peut supposer que s'ils jouent un rôle déterminant dans l'élaboration des encroûtements étudiés, ils doivent fonctionner toute l'année. Ils permettent ainsi de récolter des encroûtements même en hiver. Les tufs de débordement (fixés à un roncier et aux branches d'un arbre ; photo 3-11), obtenus après la crue de janvier 1996, et qui se sont formés en quelques jours, sont vraisemblablement dus à ces micro-organismes, dans une zone non colonisée par les mousses et les algues (photo 3-8). Il semble que là aussi, la nature du support encroûté joue un rôle important, en offrant de très nombreuses aspérités sur des ronces vierges de tout encroûtement Il semble également que les objets encroûtés acquièrent une sorte "d’immunité", en devenant moins anguleux au fur et à mesure de leur encroûtement. Il faut souligner ici l’importance des facteurs physicochimiques dans de tels phénomènes de précipitation.

B) Estimation des rythmes d'encroûtement et nature des incrustations

363Il est possible alors possible de comparer les résultats des analyses hydrochimiques et des quantités précipitées et de les comparer aux rythmes de dépôt estimés à partir des baguettes. L'augmentation des rythmes de dépôt d'un mois à l'autre doit se traduire vraisemblablement par une augmentation des quantités déposées (dans le cas où précipitation et dépôt se recoupent).

364Dans l'ensemble, la corrélation entre ces deux types de mesure est plutôt bonne, comme le montre la figure 3-30. Chaque variation fine des rythmes d’encroûtement s'accompagne d'une augmentation ou une diminution des quantités précipitées et déposées, même si la relation est de moins bonne qualité pour les deux derniers mois. Au total, les informations tirées de la méthode des baguettes s'avèrent ici très satisfaisantes.

365Néanmoins, même si ces premiers résultats semblent encourageants, la période de mesure ne couvre que 7 mois et correspond à un site d'implantation donné, pour une source donnée.

366L'étude du fonctionnement de la chute a montré qu'il existe une différenciation spatiale au niveau des quantités précipitées, et que cette zone présentait un décalage de fonctionnement par rapport à la zone des baguettes. Il faudrait alors équiper l'ensemble du dépôt pour pouvoir enregistrer des rythmes synchrones. Rappelons enfin que les baguettes ont été laissées à différents pas de temps, afin de mieux appréhender les rythmes, la vitesse d'initialisation du système, et éventuellement voir si cela jouait sur la composition de ces encroûtements.

1) Estimation des rythmes

367Les rythmes mensuels ont été calculés à partir des séquences à 50 jours, ramenés sur 30 jours et demi [(rythme à 50 jours/50 x 30,5)]. Les estimations théoriques à 202 (durée de la période d'observation) et 365, 25 jours ont été calculées à partir des rythmes mensuels [(rythme moyen mensuel x (202/30,5)].

368Cette méthode donne de bons résultats. Si l'on compare les deux données à 202 jours pour le Moulin Farfal (estimation théorique et mesure sur baguette), les résultats sont très proches (respectivement 3,16 et 3,15 mm). Ainsi, l'estimation sur 1 an du rythme d'encroûtement du dépôt du Moulin Farfal peut-elle être considérée comme relativement fiable (environ 5,7 mm). De même, l'estimation à 202 jours effectuée à partir des baguettes à 20 jours donne un résultat proche de celle effectuée à partir des baguettes à 50 jours (respectivement 3,24 et 3,16 mm).

Figuire 3-29 : Site d’implantation des baguettes et zonation des différents types d’encroûtements site du Moulin Farfal, Cadouin

Photo 3-9 : station a encroûtement sur baguettes, Moulin Farfal, Cadouin. Largeur de la photo : 3 m. On reconnaît les bambous qui servent à localiser les baguettes encroûtées. A noter l’écoulement des eaux en cascatelles avec une forte intensité de dépôt (cliché : F. HOFFMANN).

Photo 3-10 : Macro-algues en cours d’incrustation. Ce type de végétaux s’encroûte en cinq semaines après leur apparition. Cette algue est fixée sur un plancher micro-algo-bactérien (cliché : F. HOFFMANN).

Figure 3-30 : Quantités de CaCO3 précipitées et rythmes mensuels d'encroûtement.

Tableau 3-6 : Rythmes d'encroûtement sur baguettes de 3 sources du Périgord - Quercy.

369Pour les baguettes laissées pendant une période de 50 jours, les encroûtements provoquent une augmentation du diamètre d'autant plus sensible que l'on va de l'hiver vers l'été (8,4 mm, 8,7 mm, 8,9 mm pour des baguettes récoltées respectivement le 20/03/96, le 10/05/96, le 29/06/96, Tab. 3-6). Ces résultats sont corroborés par les calculs tirés des mesures hydrochimiques. Les mêmes mesures appliquées aux baguettes à 20 jours ne montrent pas le même accroissement des valeurs au cours du temps (entre 7,6 mm et 7,8 mm). Cette différence de comportement est vraisemblablement due à l'encombrement des feuilles retenues par les baguettes et qui gène l'encroûtement du support, phénomène moins sensible à cinquante jours qu'à vingt jours, après plusieurs nettoyages (4 au lieu de 1 pour les baguettes à 20 jours).

370Globalement, les rythmes d'encroûtements semblent varier au long de l'année, avec une légère croissance au printemps. Il s'agit cependant de fluctuations légères. La valeur la plus basse, non consignée dans le tableau 3-6 (8,1 mm) se situe en automne. Cette baguette (référence : 1.1.C.10.2.5.), ayant subi un très fort encombrement (chute automnale des feuilles), n'a été que partiellement encroûtée, et, pour cette raison, n'a pas été incorporée dans les moyennes ou les estimations théoriques.

2) Estimation du rythme sur d'autres sources

3713 baguettes du même type que celles employées dans cette expérience ont été implantées à la source du Soulier de Saint Cernin de Larche sur des périodes de 20, 30 et 50 jours. Une quatrième baguette a été détruite par une crue au début de l'automne.

372Ce fut également le cas pour la source de Bouzic, où nous n'avons collecté qu'une seule baguette à 60 jours sur les deux prévues. Les caractéristiques générales de la source du Soulier et de celle de Bouzic (vallée du Céou) sont reportées au tableau no 3-6.

373Ainsi les résultats obtenus sont-ils moins fiables, surtout en ce qui concerne la source de Bouzic. Il se pose ici un problème de méthode, car cette source présente un débit moyen proche de 500 l/s. Or, les diverses tentatives d'implantation de baguettes se sont soldées pour la moitié d'entre elles par un échec, ne possédant pas un dispositif d'arrimage suffisamment solide pour résister à des crues pouvant atteindre plusieurs m3/s, et qui n'interférerait pas trop avec le milieu de mesure. De plus, dans de telles conditions, il est fort probable que l'on ne puisse pas récupérer complètement les encroûtements détruits par abrasion ou par arrachement. Cependant, nous avons veillé à ce que ces deux sites d'implantation présentent des caractéristiques hydrodynamiques (circulation de l'eau) proches de celles du Moulin Farfal (petit canal de dérivation pour Bouzic, par exemple).

374Globalement, ces deux sources présentent des rythmes d'encroûtement très proches (voisins de 4 mm/an). Malheureusement, ne disposant que d'une valeur pour Bouzic et d'un suivi très court pour Saint Cernin, il faut rester très prudent vis-à-vis des résultats obtenus qui ne sont présentés ici qu’à titre indicatif et complémentaire.

3) Structure et composition des encroûtements : une organisation en plusieurs couches concentriques

375Les encroûtements obtenus sur les baguettes ont une structure bien particulière, et cela indépendamment de la saison. Elle se présente schématiquement en deux couches, bien visibles à l'œil nu, que les deux pas de mesure ont bien mis en valeur (retrait des baguettes à 20 et 50 jours).

Tableau 3-7 : Valeurs extrêmes des principaux paramètres physico-chimiques de la source du Soulier de Saint Cernin de Larche (3 échantillons recueillis entre le 8/08/96 et le 2/10/96) et de Bouzic.

376- un premier niveau finement incrusté et solide : les baguettes à 20 jours sont constituées d'une première couche relativement homogène et très bien accrochée au support. Elle semble ne pas piéger les divers éléments en transit dans l'eau (végétaux morts, brindilles, feuilles, etc.). Les premières traces d'incrustations visibles à l’œil apparaissent dès le troisième jour d'immersion du support, au printemps (période de pleine activité).

377- un deuxième niveau moins homogène : en plus de cette première couche, les baguettes à 50 jours sont constituées d'une deuxième couche beaucoup moins homogène, tout juste amorcée sur celle à 20 jours, de couleur différente et montrant une opposition bien nette entre face exposée à la lumière (couleur sombre) et face opposée (couleur claire). Lors du détachement des encroûtements, il n'est pas possible d'individualiser les deux couches. Des végétaux sont alors souvent piégés, ainsi que divers autres éléments organiques ou minéraux. Cette deuxième couche, tantôt dure, tantôt friable, présente très souvent une structure bien développée dans toutes les directions. Ces deux couches semblent résulter de l'action privilégiée des micro-organismes incrustants (le travail d'identification de ces organismes reste à faire, mais ne fera pas l'objet d'une étude dans l'immédiat).

378Ces constatations sont également valables pour les encroûtements sur bambous servant au repérage des baguettes (Fig. 3-29). Elles nous renseignent sur l'amorçage d'un encroûtement sur support naturel ou non, qui semble s'effectuer en deux temps : une première couche d’enrobage du support, puis l'encroûtement en lui-même. Il semble que la nature du support ne joue pas un grand rôle (encroûtement sur fil de fer rouillé, sur métal galvanisé, etc.), à l'exception peut-être de quelques métaux (hypothèse d'une action phytotoxique de l'aluminium sur des microalgues incrustantes, VAUDOUR, comm. orale).

379Il se peut alors que cela ne soit qu’un simple problème de temps d'immersion. En effet, au contact du support toxique, les micro-organismes meurent et finissent par former une sorte de "gel" servant de couche protectrice et permettant l'implantation de micro-organismes incrustants (hypothèse de formation d'un gel bactérien, POMEL, comm. orale).

380La destruction prématurée de la station de mesure n'a pas permis d'aller plus loin dans ce domaine. L'implantation de supports en cuivre et en aluminium était prévue à la fin du dernier cycle de mesure à la jonction automne/hiver, pour ne pas interférer avec les baguettes et n'a pas pu être réalisée.

381- Des encroûtements de structure similaire pour les deux autres sources : les encroûtements obtenus aux sources de Saint Cernin et de Bouzic ont une structure similaire à celle décrite pour les dépôts du Moulin Farfal, avec des teintes plus claires pour Saint Cernin et la présence de "logettes" renfermant des larves d'environ 3 mm de longueur (non identifiées). Concernant la source de Bouzic, la teinte plus foncée des encroûtements est due à une proportion plus importante d'argile (proportion déterminée par calcimétrie).

382L'analyse des poudres obtenues à partir des encroûtements par la méthode de calcimétrie fine permet de tirer quelques renseignements très intéressants.

383- une calcite faiblement magnésienne : tout d'abord, on ne constate aucune évolution de la teneur en magnésium, ni même du taux de RNS (résidus non solubles à l’acide chlorhydrique), quelque soit le moment de la saison (7 mois en tout, % en magnésium compris entre 1,02 et 1,28 %, taux de RNS < à 2 % très souvent). Il semble à ce niveau là exister une certaine constance, indépendante des variations hydrochimiques. Nous pensons que les micro-organismes responsables de ces incrustations, sont peu sensibles aux variations ioniques des eaux, notamment aux différences de rapport entre calcium et magnésium dans l'eau. Ils trouvent là un milieu toujours très riches en carbonates, présentant des conditions relativement homogènes à l'échelle de ces micro-organismes et déposent toujours le même type de sédiment. Ces remarques sont bien sûr valables pour le site étudié, et pour une période donnée. Ces grandes caractéristiques se retrouvent inscrit dans la composition de la poudre BA 95, qui provient d'encroûtements de l'année 1995 (période de test de la zone des baguettes). Cette poudre a été soumise aux rayons X. L’analyse du spectre a révélé que l'essentiel de la poudre était composée de calcite, faiblement magnésienne.

384De plus, il semble que la première couche de contact avec le support soit légèrement plus magnésienne (4 mesures à 1,28 %). Il s'agit là d’une tendance car on se situe au seuil de la méthode par calcimétrie fine.

385- Un rapport qui semble linéaire entre proportion de magnésium dans l’eau et dans les carbonates : en outre, la comparaison de la composition des poudres obtenues à partir de trois sources semblent indiquer un rapport linéaire entre proportion magnésienne dans l'eau et dans les poudres : taux de magnésium dans l’eau à la source de 6, 9 et 17 % en moyenne respectivement pour le Moulin Farfal, le Soulier de Saint Cernin et Bouzic, et taux de magnésium dans les poudres de 1,28, 1,59 et 1,84 % respectivement. Il s’agit d'une tendance qu'il faut conforter sur un plus grand nombre de sites. En effet, on ne retrouve pas la même équivalence sur des tufs à mousses ou à algues sur les trois mêmes sites. Ceci semble indiquer, comme nous avons pu le montrer dans la deuxième partie, que les différentes associations de bio-organismes incrustants réalisent leurs propres conditions saturation et de dépôt, qui influent directement sur la composition de ces derniers.

Photo 3-11 : Tufs d’aspersion et de débordement, dépôt du Moulin Farfal, Cadouin. Les mousses présentent habituellement un encroûtement racinaire. Ici, leurs parties chlorophylliennes sont encroûtées (cliché : F. HOFFMANN).

Photo 3-12 : “Champ de pierres” dans la vallée de Céou, après la crue de janvier 1996. Tous les galets de couleur ocre sont des morceaux de tufs arrachés au dépôt de la source de Bouzic, situé à 500 m en amont. Ceci souligne l’action érosive que peuvent exercer certains cours d’eau sur les tufs (cliché : F. HOFFMANN).

Photo 3-13 : Gros plan sur une partie du “champ de pierres”. Au centre de la photo, un bloc de tuf arraché au dépôt de Bouzic, repose sur un lits de graviers et de galets (cliché : F. HOFFMANN).

C) Dynamique de dépôt et comparaison avec d'autres études

386Ce type d'approche n'est pas très répandu, et il n'est pas aisé d'effectuer des comparaisons avec d’autres systèmes travertineux. De plus, il n'est pas facile d'isoler les différents acteurs et de cerner leur responsabilité respective au sein de cette dynamique.

1) Dynamique de dépôt

387Finalement, malgré des variations sensibles tant au niveau de la composition chimique qu'au niveau du débit de la source du Moulin Farfal, les fluctuations dans les rythmes d'encroûtements restent modestes et semblent souligner tout au plus le réveil du système de dépôt au printemps, cela quel que soit le pas de temps sélectionné.

388- Une dynamique assez constante : en terme de "potentialités d'encroûtement", la source du Moulin Farfal reste relativement constante toute l'année, et semble soumise aux rythmes d'implantation et de vie des organismes incrustants (macrovégétaux, microorganismes, etc.). De cette manière, il semble que l'endokarst influe plus sur l'intensité et sur les quantités précipitées et que les organismes bio-incrustants agissent plus sur la composition et la structure des encroûtements. C'est la réunion des deux, inséparables dans la dynamique de dépôt, qui forme le tuf.

389- Une interaction fine entre endokarst et organismes incrustants : la relative constance de fonctionnement que l'on a pu constater peut être imputable au fait que les grands paramètres hydrochimiques restent, malgré leurs variations, au dessus de valeurs critiques (saturation par exemple), permettant ce fonctionnement continu et relativement constant. On peut invoquer également un "effet tampon" des organismes incrustants qui participent à la réalisation de ces conditions de saturation, mais aussi qui réalisent directement des encroûtements à partir des conditions hydrochimiques et hydrodynamiques.

390En effet, on peut penser que ces encroûtements résultent d'un interaction fine entre, d'une part, des associations d'organismes incrustants (macro et micro-organismes) et d'autre part, les paramètres physico-chimiques de l'eau. C'est, en tout cas, ce qui semble résulter des analyses calcimétriques. Ainsi peut-on émettre l’hypothèse que l'augmentation du rythme d'encroûtement constatée au printemps pourrait résulter d'une convergence de facteurs où le réveil des organismes incrustants s'effectue dans une eau de plus en plus chaude et saturée. Le fonctionnement moins important en hiver serait dû alors au fait que seuls les micro-organismes joueraient encore un rôle actif, en l'absence des macrovégétaux auxquels ils sont associés en saison chaude. Cette association permettrait alors d'obtenir des saturations de contact "eau/organisme" plus marquées [S. CASTANIER, 1987] et donc des rythmes d'encroûtement plus rapides. Rappelons que si l'on change la nature du support, on peut intensifier à nouveau les rythmes d'encroûtements (lors de crues notamment).

391Il se peut également que la méthode des baguettes ne soit pas suffisamment sensible pour enregistrer les fines variations hydrochimiques. Cependant, les quantités de carbonates précipités et les rythmes de dépôt calculés à partir des baguettes montrent un niveau de corrélation très fort.

392- Les limites de la méthode : le principal avantage de cette méthode est de s'affranchir du volume propre des macrovégétaux encroûtés, qui perturbe les calculs des rythmes d'encroûtement. Elle représente un des rares moyens d'effectuer des comparaisons de site à site [hormis la méthode des plaquettes calcaires ; MAZET, 1991]. Il est évident que les valeurs obtenues restent indicatives, pour deux raisons principales :

393- la première résulte des contraintes propres à la méthode et notamment l'implantation de supports type baguette qui modifie les conditions de dépôt en retenant les végétaux morts. Cet encombrement progressif nécessite un nettoyage régulier si l'on veut que le support soit encroûté (on influe alors légèrement sur le rythme d'encroûtement, sans toutefois modifier profondément les résultats) ;

394- la deuxième raison tient au fait que cette méthode ne prend en compte principalement qu'un type d'encroûtement (type plancher), sans pouvoir intégrer l’action des macrovégétaux, principaux responsables du volume d'encroûtement.

395Enfin, le site d'implantation des baguettes est le résultat d’un choix délibéré, au sens où les rythmes obtenus sont sûrement le fruit d’un type bien déterminé de circulation de l'eau (cascatelles) et l'on aurait vraisemblablement obtenu des rythmes différents si l'on avait placé ces mêmes baguettes plus en amont, au pied de la chute par exemple.

2) Vitesse et intensité de dépôt

396Compte tenu de toutes ces indications, il n'est pas aisé d'effectuer des comparaisons de rythmes d'encroûtement avec d'autres données tirées de la littérature. Les valeurs citées en exemple ne représentent qu'une indication toute relative, les procédés de mesure de ces rythmes n'étant souvent pas indiqués. Dans la plupart des cas, elles semblent intégrer la croissance des végétaux incrustants, ce qui explique sûrement que ces valeurs soient plus élevées :

397- FREYTET [1990] indique des croissances de 10 mm par an dans une rigole nouvellement creusée, et de façon générale, de plusieurs mm par an pour une quinzaine d'édifices étudiés dans les bassins de la Seine et de la Somme, vitesse qu'il juge "très forte" ;

398- VILES et GOUDIE [1990] citent 14 mesures effectuées selon des méthodes différentes sur des dépôts du monde entier ; parmi ces mesures, certaines concernent des édifices issus de sources hydrothermales, et ne doivent pas être prises en compte, les processus de formation étant radicalement différents. Ainsi, la plupart de ces mesures sont-elles comprises entre 0,2 et 2 mm, certaines allant jusqu'à 10 mm par an ;

399- des travaux de l'URA 903 du CNRS ont porté sur des rythmes d'encroûtement de supports dans des systèmes travertineux de vallée (Bassin de l'Argens, Basse Provence). Des encroûtements sur tube en plastique ont permis à MARTIN [1991] de déterminer des rythmes compris entre 0,1 et 2,5 mm pour une période de 13 mois environ. Ces valeurs sont proches de celles que nous avons établies sur notre secteur pour le ruisseau de la Coly (inférieures à 2 mm). L'auteur avait conclu sur la grande part jouée par les paramètres physico-chimiques dans l'origine des travertins de l'Argens. De même, des expériences menées par MAZET [1991] sur des incrustations de plaquettes calcaires dans le bassin de l'Huveaune (Var) ont permis de mettre en avant le rôle déterminant de l'agitation de l'eau dans la formation de ces incrustations, et de façon indirecte, de soulever le rôle des processus biologiques, par la mesure du flux lumineux. Elles ont fait apparaître également une relation directe entre vitesse de l'eau et débit d'une part, et rythme d’encroûtement d'autre part.

400Au total, les rythmes d'encroûtement obtenus au dépôt du Moulin Farfal peuvent être considérés comme relativement importants, pour un système de type source.

401En conclusion, la station de mesure du Moulin Farfal a permis de mettre en évidence un certain nombre de points relatif au fonctionnement d'un tuf de source :

4021°) la méthode des baguettes a montré des variations fines dans les rythmes d’incrustation qui ne semblent pas directement liées aux variations des paramètres physicochimiques de l'eau, dans une zone où le mode de fonctionnement semble plus dépendre du rythme de dépôt en amont ;

4032°) il semble que le fonctionnement des mécanismes d’encroûtement résulte d'une interaction fine entre organismes incrustants et paramètres physico-chimiques de l'eau ;

4043°) les rythmes d'encroûtement sont relativement soutenus toute l'année, avec une légère augmentation au printemps que l'on peut interpréter comme une convergence des facteurs biologiques et physico-chimiques vers une saturation plus grande des eaux. La notion d'année hydrologique et le mode de distribution des pluies agissant sur l'endokarst et sur le rythme de travertinisation, prennent une place de premier ordre dans cette dynamique.

CONCLUSION

405Les différentes études hydrochimiques présentées lors de cette troisième partie ont apporté des éléments de réponse sur l'état de la travertinisation actuelle, son mode de fonctionnement et ses relations avec l’endokarst.

406- La distinction précipitation/dépôt : tout d'abord, au niveau de la dynamique elle-même, il est nécessaire de distinguer précipitation et dépôt. Ces deux paramètres expliquent que dans certains cas, on peut très bien avoir des eaux saturées, mais pas de dépôt, du fait notamment du rôle que jouent certains organismes incrustants dans l'initialisation des phénomènes.

407- L’intensité du dégazage en CO2 et l’importance de la minéralisation globale des eaux : dans de nombreux cas, la mécanique de précipitation et de dépôt tient à l’intensité du dégazage et des proportions des éléments chimiques entre eux. En Périgord-Quercy, il n'est pas possible d'invoquer certains mécanismes chimiques tels que la dissolution incongruente ou l'effet d'ions communs. Tous les mécanismes de dépôt tournent autour de l'intensité du dégazage des eaux qui déterminent alors le degré de saturation des eaux. Il est également soumis à l'importance des minéralisations carbonatées des eaux, ce paramètre déterminant très souvent la plus ou moins bonne "santé" du système travertineux. L'Homme peut à ce moment là, affecter de deux manières différentes cet état de "santé" : en modifiant le couvert biopédologique (favorisant le ruissellement et l'érosion), et en introduisant de plus grandes quantités de polluants dont les effets sur les mécanismes de précipitation, et l'état de la flore incrustante, reste à déterminer de façon précise.

408Dans le cadre d'une dynamique d'eaux de surface, d'autres mécanismes plus spécifiques peuvent rentrer en jeu, avec notamment l'importance des mélanges d'eaux, qui modifient la saturation.

409- Un bilan sédimentation/érosion nécessairement positif : pour que l'on puisse avoir un travertin, il faut un maintient dans le temps des formes de dépôt et un bilan sédimentation/érosion positif suffisamment long. Cette évidence cache une relation plus subtile, placée sous la dépendance (ou le lien très étroit) du système de dépôt avec l’endokarst. En effet, il semble que les karsts à travertin sont à mettre en relation de façon quasi systématique avec des fonctionnements en concentration des eaux (Coly-Chironde, Beunes, Source de Bouzic et de Cadouin). Le lien entre barrages terminaux et ce type de fonctionnement serait encore plus fort, les fonctionnements en dilution n'autorisant que des formes mineures de dépôt. On pourrait obtenir alors une certaine forme de paradoxe de fonctionnement dans lequel on pourrait constater que des quantités de carbonates précitées indiquent un système en bon état de fonctionnement, sans que cela débouche sur la mise en place de dépôts importants (type Céou). Les phénomènes de dilution, en provoquant une plus grande variabilité des écoulements, favoriseraient les processus d'érosion (abrasion) et de démantèlement mécanique des dépôts, en rapport avec l'intensité des processus de ruissellement. Cette érosion affecterait davantage les travertins de vallée que les formations de source.

410- Des rythmes de dépôt qui semblent plus lents sur les gros organismes hydrologiques : pour les travertins de source actifs, nous manquons de données de comparaison pour avoir une bonne représentation de ces rythmes de dépôt. Cependant, il semble bien que des systèmes hydrologiques de plus grosse taille que celle la petite source du Moulin Farfal, déposent moins vite (en Périgord-Quercy). Cette constatation semble également valable pour les systèmes de type vallée (débits de plusieurs m3/s), avec des rythmes encore plus faibles (inférieurs à 2 mm/an). Cependant, si une différence existe bien, nous pensons qu'elle est à mettre en relation avec une certaine tendance au fonctionnement en dilution, affectant à la fois l'endokarst et le système de dépôt (bioorganismes incrustants). La méthode des baguettes nous apparaît comme une voie intéressante pour approfondir la connaissance de ce système de dépôt. Le suivi en parallèle de deux stations en milieux endo et exokarstiques sur un même système travertineux, pourrait également s'avérer être une voie porteuse. Elle pourrait peut être mieux isoler les influences physico-chimiques de ces des organismes bio-incrustants. Le principal intérêt est que cette méthode peut s'adapter à de multiples situations (sites, rythmes et composition chimique d'encroûtements endo et exokarstiques).

Table des illustrations

Légende Figure 3-1 : Les trois chaînes du système CO2-H2O-carbonate (selon ROQUES. 1964).
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Légende Photo 3-1 : Cascades d’Autoire en été (hauteur de la chute : 60 m). Cette chute travertineuse présente d’importants faciès à mousse, dont certains blocs se sont détachés. Cette chute provient du mélange des eaux peu minéralisées provenant du Lias, et d’une source incrustante située à 30 m de cette chute (cliché : F. HOFFMANN).
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Légende Photo 3-2 : Cascades d’Autoire en hiver. Même échelle. On note très bien l’incision des dépôts vraisemblablement d’âge Holocène, qui apparaissent devant la base de la chute d’eau (cliché : F. HOFFMANN).
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Légende Figure 3-2 : Morphologie d'un barrage travertineux actuel et ses conséquences sur l'hydrochimie des eaux incrustantes (l'exemple de la Coly, à Condat).
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Légende Photo 3-3 : Base d’un dépôt récent, vallon du Lamagol, bassin du Lot. Ce dépôt, très actif, présente une couleur très claire. La très grande limpidité des eaux apparaît bien (petit bassin faiblement anthropisé) ; hauteur du niveau : 40 m (cliché : F. HOFFMANN).
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Légende Photo 3-4 : “Ruelle” encroûtée de la Sagne, à Cabrerets. La hauteur de ce niveau est de 70 cm. Ce système est très actif et présente des eaux très limpides. A noter le piégeage des feuilles au fur et à mesure de l’encroûtement (cliché : F. HOFFMANN).
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Légende Figure 3-3 : Débit du point “Station” et situation des campagnes hydrochimiques mensuelles (années 1994 à 1996), lors des périodes de crues, le terrain est impraticable, d’où l’absence de campagne pendant ces périodes.
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Légende Figure 3-4 : Les principales caractéristiques physico-chimiques du site “COLY”, (Q : débit du site STATION)
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Légende Tableau 3-1 : Valeurs extrêmes des principaux paramètres physico-chimiques des points Coly, Chironde et Station, (valeurs anormales exclues, 24 échantillons entre octobre 1994 et septembre 1996).
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Légende Figure 3-5 : Localisation des points d’échantillonnage.
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Légende Figure 3-6 : Les principales caractétistiques physico-chimiques du site “CHIRONDE”, (O : débit du site STATION).
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Légende Figure 3-7 : Les principales caractéristiques physico-chimiques du site “STATION”.
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Légende Figure 3-8 : Les principales caractéristiques physico-chimiques du site “HCA2”, (Q : débit du site STATION).
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Légende Figure 3-9 : Les principales caractéristiques physico-chimiques du site “BCA2”, (Q : débit du site STATION).
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Légende Figure 3-10 : Les principales caractéristiques physico-chimiques du site “CANAL”, (Q : débit du site STATION).
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Légende Tableau 3-2 : Valeurs extrêmes des principaux paramètres physico-chimiques des points HCA2, BCA2, Canal et HCA1 (valeurs anormales exclues, 24 échantillons entre octobre 1994 et septembre 1996).
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Légende Figure 3-11 : Variations du Na (sodium) et du débit des sites de la Coly, de la Chironde et de la Station, bassin de la Coly, (Q : débit du site STATION).
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Légende Figure 3-12 : les principales caractéristiques physico-chimiques du site “HCA1”, (Q : débit du site station).
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Légende Figure 3-13 : Variations des pCO2 des points Coly, Chironde et Station et comparaison avec le débit, (Q : point station).
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Légende Figure 3-14 : Variations des pCO2 des points HCA2, BCA2 et HCA1.
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Légende Figure 3-15 : Quantités de CaCO3 précipitées, amplitude du pH et de l'ISc entre les sites STATION ETHCA2, (vallée de la Coly).
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Légende Figure 3-16 : Quantités de CaCO3 précipitées, amplitude du pH et de l’ISc entre les sites HCA2 et BCA2, (vallée de la Coly).
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Légende Figure 3-17 : Quantités de CaCO3 précipitées, amplitude du pH et de l'ISc entre les sites BCA2 et HCA1 (vallée de la Coly).
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Légende Tableau 3-3 : Quantités de carbonates de calcium indicatives, exportées et précipitées par le système de la Coly entre novembre 1994 et septembre 1996.
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Légende Photo 3-5 : Niveau A2 formé de barrages à mousse, vallée de la Coly, Hauteur : 2 m sur une largeur de 40 m (cliché : F.HOFFMANN).
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Légende Photo 3-6 : Haut de chute du niveau A2 : largeur de la photo : 10 m. Les eaux s’écoulent de façon pédiculaire sur “ce plateau”, au contact de mousses et d’algues incrustantes (cliché : F. HOFFMANN).
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Légende Figure 3-18 : Morphologie du travertin du Moulin Farfal et localisation de sites de mesures hydrochimiques.
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Légende Photo 3-7 : Dome algo-bryophytique, dépôt du Moulin Farfal, Cadouin. Hauteur : 3 m. A noter le vide sous la chute, et son importante végétation (cliché : F. HOFFMANN).
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Légende Photo 3-8 : Tufs de débordement, formés en quelques heures, en hiver, chute du Moulin Farfal. Ce type de processus nous renseigne sur l’initialisation des dépôts, où le support encroûté joue un très grand rôle (cliché : F. HOFFMANN).
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Légende Tableau 3-4 : Valeurs extrêmes des principaux paramètres physico-chimiques des points source, 30 M, et HC1 (valeurs anormales exclues, 24 échantillons entre octobre 1994 et septembre 1996).
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Légende Figure 3-19 : Les principales caractéristiques physico-chimiques du site “SOURCE Cadouin”, (P : précipitation moyenne mensuelle, station de Cénac).
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Légende Figure 3-20 : Les principales caractéristiques physico-chimiques du site “30 M Cadouin”, (P : précipitation moyenne mensuelle, station de Cénac).
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Légende Figure 3-21 : Les principales caractéristiques physico-chimiques du site “HC1 Cadouin”, (P : précipitation moyenne mensuelle, station de Cénac).
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Légende Tableau 3-5 : Valeurs extrêmes des principaux paramètres physico-chimiques des points BC1 BC2, (Valeurs anormales exxclues. 24 échantillons entre octobre 1994 et septembre 1996)
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Légende Figure 3-22 : Les principales caractéristiques physico-chimiques du site “BC1 Cadouin”, (F : précipitation moyenne mensuelle, station de Cénac).
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Légende Figure 3-23 : Les principales caractéristiques physico-chimiques du site “BC2 Cadouin”, (P : précipitation moyenne mensuelle, station de Cénac).
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Légende Figure 3-24 : Variations des pCO2 des points source, 30 M et HC1 de la source du Moulin Farfal ; P : précipitations en mm (station de Cénac).
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Légende Figure 3-25 : Variations des pCO2 des points HC1, BC1 et BC2 de la source du Moulin Farfal.
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Légende Figure 3-26 : Teneurs en CO2 dissous dans les cinq sites d'échantillonnage du système du Moulin Farfal, variations saisonnières et cinétique de dégazage.
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Légende Figure 3-27 : Quantités de CaCO3 précipités, amplitude du pH et de l’ISc entre les sites HC1 et BC1, (source du Moulin Farfal, Cadouin).
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Légende Figure 3-28 : Quantités de CaCO3 précipités, amplitude du pH et de l’ISc entre les sites BC1 et BC2, (source du Moulin Farfal, Cadouin).
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Légende Figuire 3-29 : Site d’implantation des baguettes et zonation des différents types d’encroûtements site du Moulin Farfal, Cadouin
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Légende Photo 3-9 : station a encroûtement sur baguettes, Moulin Farfal, Cadouin. Largeur de la photo : 3 m. On reconnaît les bambous qui servent à localiser les baguettes encroûtées. A noter l’écoulement des eaux en cascatelles avec une forte intensité de dépôt (cliché : F. HOFFMANN).
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Légende Photo 3-10 : Macro-algues en cours d’incrustation. Ce type de végétaux s’encroûte en cinq semaines après leur apparition. Cette algue est fixée sur un plancher micro-algo-bactérien (cliché : F. HOFFMANN).
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Légende Figure 3-30 : Quantités de CaCO3 précipitées et rythmes mensuels d'encroûtement.
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Légende Tableau 3-6 : Rythmes d'encroûtement sur baguettes de 3 sources du Périgord - Quercy.
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Légende Tableau 3-7 : Valeurs extrêmes des principaux paramètres physico-chimiques de la source du Soulier de Saint Cernin de Larche (3 échantillons recueillis entre le 8/08/96 et le 2/10/96) et de Bouzic.
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Légende Photo 3-11 : Tufs d’aspersion et de débordement, dépôt du Moulin Farfal, Cadouin. Les mousses présentent habituellement un encroûtement racinaire. Ici, leurs parties chlorophylliennes sont encroûtées (cliché : F. HOFFMANN).
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Légende Photo 3-12 : “Champ de pierres” dans la vallée de Céou, après la crue de janvier 1996. Tous les galets de couleur ocre sont des morceaux de tufs arrachés au dépôt de la source de Bouzic, situé à 500 m en amont. Ceci souligne l’action érosive que peuvent exercer certains cours d’eau sur les tufs (cliché : F. HOFFMANN).
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Légende Photo 3-13 : Gros plan sur une partie du “champ de pierres”. Au centre de la photo, un bloc de tuf arraché au dépôt de Bouzic, repose sur un lits de graviers et de galets (cliché : F. HOFFMANN).
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© Presses Universitaires de Bordeaux, 2005

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