Resumen de Hypogenic caves in France. Speleogenesis and morphology of the cave systems

Philippe Audra, Jean-Claude D'antoni-Nobecourt, Jean Yves Bigot

• français

  Les cavités hypogènes se développent par recharge sous-jacente, sans influence directe des infiltrations en surface. Plusieurs processus de spéléogènese se combinent, impliquant notamment le CO2 ou l'H2S issus des profondeurs. La recharge profonde constante empêche l'élargissement sélectif au profit de fissures préférentielles, produisant par conséquent des réseaux labyrinthiques se développant vers le haut, ce qui correspond à la « spéléogenèse transverse » [Klimchouk, 2003], Au regard des cavités épigènes (qui se développent vers le bas sous l'effet des infiltrations d'eau météorique rendue agressive lors de la traversée des sols), les cavités hypogènes sont minoritaires. En France, tout comme dans le reste du monde, les cavités hypogènes restent peu reconnues, du fait de leur faible fréquence, de l'empreinte épigène postérieure pouvant masquer l'origine réelle, et du manque d'un modèle conceptuel global. Néanmoins, une centaine de cavités hypogène a récemment été identifiée. La diversité extrême des réseaux et des morphologies est due aux contextes géologiques et topographiques, ainsi qu¿aux modalités d'écoulenient.

  Les grottes thermales sont un sous-type des cavités hypogènes. Les cavités actives sont rares et peu développées (sources du Mas d'En Caraman, du Vallon du Salut). Souvent, l'influence hypogène se limite à des arrivées thermales dans les cavités épigènes (sources de la Mescla, font Estramar). Hormis la température plus élevée, certaines émettent du CO2 (grotte de la Madeleine) ou de l'H2S, présentent des circulations chaudes en chenaux de plafond et des dépôts de manganèse. Les puits noyés géants se localisent sur les grands linéaments actifs. Ils combinent toutes ces caractéristiques (thermal, CO2, H2S) grâce aux remontées rapides d'eaux profondes. Une telle hyperkarstification est à l'origine des plus profonds puits noyés du monde: pozzo del Merro, Italie (-392 m). En France, la source de Salins a été reconnue en plongée jusqu'à 70m de profondeur.

  Lorsqu'elles sont devenues inactives, les cavités hypogènes peuvent s'identifier par la présence de minéralisations spécifiques ou par de grands cristaux de calcite. Les dépôts métalliques découlent des ascendances d'eaux profondes, chaudes, agressives et réduites. Le mélange avec les eaux météoriques est à l'origine des minerals de type Mississippi Valley (MVT). Le fer apparaît en amas massif (grotte de Lagnes) ou en dépôts vacuolaires sur support microbien (grotte des Iboussières, carrière de Malacoste), donnant des faciès particuliers, notamment les black tubes et pool fingers. Les autres minéraux fréquemment associés sont les oxydes de Mn et la galène. Dans ces conditions hypothermales, la calcite se dépose en grands cristaux couvrant les parois des conduits et les géodes.

  Un autre critère d'identification est la forme caractéristique de réseau, en particulier le labyrinfhe. La recharge constante des aquifères karstiques confinés ne permet pas la compétition entre fissures, qui de fait s'élargissent uniformément, donnant un labyrinthe. En structure horizontale, le labyrinthe s'étend de manière centrifuge autour du point d'alimentation hypogène. La juxtaposition d'alimentations hypogènes produit de grands labyrinthes horizontaux. En structures peu inclinées, les labyrinthes en 2D s'étendent sous un aquitard, ou bien le long de joint de strate ou d'un lit plus poreux (grotte de Saint-Sébastien). En région plissée, les écoulements hypogènes ascendants utilisent alternativement les joints de strate et les fissures, donnant un labyrinthe en forme d'escalier en 3D (grottes de Pigette). Les salles isolées sont de grands vides hémisphériques alimentés par des fissures thermales. Les convections thermiques dans une atmosphère riche en CO2 favorisent la condensation-corrosion qui permet le développement rapide de tels vides, au-dessus de la zone noyée (grotte des Champignons).

  Les grottes sulfuriques avec gypse de remplacement sont produites par le dégazage d'H2S qui s'oxyde en H2SO4, lequel corrode le calcaire et le remplace par du gypse. Cette corrosion est intense au-dessus de la zone noyée où le dégazage sulfurique et les convections thermales produisent une puissante condensation-corrosion. Les cavités se développent de manière régressive à partir de l'émergence et en remontant à partir des points d'alimentation thermo-sulfuriques (réseau Chevalley-Serpents). Le conduit principal, de faible gradient, enregistre les positions successives du niveau de base, y compris les abaissements mineurs (grotte du Chat).

  La spéléogenèse hypogène contribue à une meilleure compréhension de la distribution des vides karstiques responsables du risque de subsidence, des minéralisations associées, ainsi que des hydrocarbures.

• English

  Hypogenic caves develop by recharge from below, not directly influenced by seepage from the overlying land surface. Several processes of speleogenesis are combined, involving CO2 or H2S produced at depth. If the recharge from depth remains uniform, the growth of selected fissures is prevented, giving rise to maze cave systems with an upward development trend, which is defined as "transverse speleogenesis" [Klimchouk, 2003]. Hypogenic caves are much fewer than epigenic caves (i.e. developed downwards by meteoric water with aggressivity derived from soil). In France, as in the rest of the world, hypogenic caves were poorly recognized until recently because of their lower frequency, subsequent epigenic imprint often hiding the true origin, and the absence of a global conceptual model. However, about a hundred of hypogenic caves have been identified recently in France. The extreme diversity of hypogenic cave patterns and features is due to the variety of geological and topographic settings and types of flow.

  Thermal caves are a sub-set of hypogenic caves. Active thermal caves are few and small (Mas d'En Caraman, Vallon du Salut). Often, thermal influences only occur as point thermal infeeders into epigenic caves (Mescla, Estramar). In addition to the higher temperature, they may be characterized by CO2 (Madeleine) or H2S degassing, by warm water flowing in ceiling channels, or by manganese deposits. The Giant Phreatic Shafts locate along regional active faultlines. They combine all characteristics (thermal, CO2, H2S), due to the fast rising of deep water. The Salins Spring has been explored by scuba diving down to -70 m. Such a hyperkarstification is responsible for the development of the deepest phreatic shafts of the world: pozzo del Merro, Italy (-392 in).

  Inactive hypogenic caves may be recognized by their specific mineralization or by the presence of large calcite spar. Metallic deposits are due to the rising of deep waters that are warm, aggressive, and low in oxidation potential. Mixing with meteoric water generates Mississippi Valley Type (MVT) sulfidic ores. Iron deposits as massive bodies (Lagnes) or onto microbial media (Iboussières, Malacoste) making specific facies, such as "black tubes", iron flakes, and iron pool fingers. Other frequent minerals are Mn oxides and Pb sulfur. In such low thermal conditions, calcite deposits occur as large spar in geodes or as passage linings.

  Other inactive hypogenic caves may also be recognized by characteristic patterns, such as mazes. The relatively constant recharge into confined karst aquifers suppresses fissure competition, so they enlarge at similar rates, producing a maze pattern. In horizontal beds, mazes extend centrifugally around the upwelling feeder. The juxtaposition of multiple discrete vertical feeders produces extended horizontal mazes. In gently tilted structures, 2D mazes extend below aquitards, or along bedding or more porous beds (Saint-Sébastien). In thick folded limestone the rising hypogenic flow alternatively follows joints and bedding planes, producing a 3D maze cave in a staircase pattern (Pigette). Isolated chambers are large cupola-like chambers fed by thermal slots. Thermal convection of air in a CO2-rich atmosphere causes condensation-corrosion that quickly produces voids above the water table (Champignons Cave).

  Sulfuric acid caves with replacement gypsum are produced by H2S degassing in the cave atmosphere. H2S oxidizes to H2SO4, which corrodes the carbonate rock and replaces it with gypsum. The strongest corrosion occurs above the water table, where sulfide degassing and thermal convection produce strong condensation-corrosion. Caves develop headward from springs and from thermo-sulfuric slots upward (Chevalley-Serpents System). The low-gradient main drains record base-level positions and even the slightest stages of water-table lowering (Chat Cave).

  Hypogenic speleogenesis provides better understanding of the distribution of karst voids responsible for subsidence hazards and the emplacement of minerals and hydrocarbons.