Le système karstique de Sprimont (Belgique). Holotype d’une spéléogenèse par fantômisation

Karstic system of Sprimont (Belgium). Holotype of a speleogenesis by ghost-rock karstification

¹ Service de Géologie Fondamentale et appliquée, Faculté Polytechnique, Université de Mons, rue de Houdain, 9, Mons, Belgique
² Minnesota University, Minnesota, USA
³ Institute of Global Environmental Change. Xi'an Jiaotong University. No. 1 West Building, Xi'an Jiaotong University Qujiang Campus, No. 99 Yanxiang Road, Xi'an, 710054 Shaanxi, China

^* Auteur de correspondance : yves.quinif2@gmail.com ; yves.quinif@umons.ac.be

Accepté : 7 Décembre 2017

Résumé

Le système karstique de Sprimont est riche de phénomènes karstiques variés dans un contexte géologique bien défini : un synclinal de carbonates carbonifères entourés au nord, à l’est et au sud par des formations famenniennes imperméables. À l’ouest, l’Ourthe recoupe le synclinal perpendiculairement à son axe d’allongement dans le cadre d’un relief appalachien typique et constitue le niveau de base karstique. Le relief consiste en un vallon orienté est-ouest dont l’axe coïncide avec celui du synclinal. Les ruisseaux qui descendent des hauteurs imperméables vers le vallon se perdent après leur entrée dans le domaine calcaire. Ces ruisseaux confluent sous terre pour résurger au « Trou Bleu », unique résurgence du système, non loin du talweg de l’Ourthe. Le système compte de nombreuses grottes, de dimensions souvent décamétriques. Quelques-unes sont de plus grande ampleur, dont la grotte du « Noû Bleû » récemment découverte, qui est un regard sur la rivière souterraine à quelques dizaines de mètres en amont de la résurgence. Les carrières ont dévoilé en plus de diverses grottes des phénomènes karstiques de type fantôme de roche. La karstogenèse de type fantôme de roche consiste en une altération modérée des carbonates produisant une séparation de phase. D’une part, la phase soluble comprend essentiellement le calcium, le magnésium, le bicarbonate et la silice colloïdale. Elle sort du système par la voie souterraine. D’autre part, une altérite résiduelle constitue la phase solide restante comprenant une partie des carbonates cinétiquement moins solubles comme la calcite sparitique et la dolomie pro parte, les insolubles comme les minéraux argileux, le quartz, et la matière organique. Cette phase solide évolue de façon isovolume lors d’une première étape et voit donc sa porosité augmenter, de même que sa fragilité mécanique. Cette première étape se déroule durant une période géologique où le potentiel hydrodynamique est très réduit, la fantômisation s’exerçant grâce à des circulations phréatiques très lentes mais chimiquement agressives. On obtient ainsi des volumes soit totalement circonscrits dans la masse rocheuse (pseudoendokarsts) soit sous forme de couloirs descendant du toit de la roche mère, remplis par l’altérite résiduelle. À Sprimont, la carrière du Coreux a dévoilé ces fantômes de roche. Durant une seconde phase, lorsqu’apparaît un potentiel hydrodynamique suite à une surrection et à l’incision des rivières, l’altérite peut être mécaniquement érodée par des circulations fluviatiles : les grottes « spéléologiques » se forment. Dans le site étudié, une cavité, la grotte « Nico », a été ouverte par l’avancée du front de la carrière. On y trouve une coupe sédimentaire montrant l’altérite résiduelle ravinée par des formations fluviatiles. Cet article décrit la coupe levée dans ces formations au travers de la lithostratigraphie, de la granulométrie et de la minéralogie des grains. La grotte « Nico » résulte de la coalescence de deux grottes superposées, le plancher rocheux séparant les deux cavités étant fantômisé et affaissé. Les parois et le sol sont des fantômes de roche dont l’altérite résiduelle est essentiellement formée de grains dolomitiques, tels les encrines dolomitisées. Les formations fluviatiles ravinent l’altérite suivant une surface chenalisante. Les grains sont constitués de grains remaniés d’altérite, calcite et dolomite, et d’une faible partie d’insolubles tels des grains de muscovite et de quartz en provenance des psammites famenniens. La série détritique est coiffée par un plancher stalagmitiques dont deux échantillons ont été datés de 53 851 ± 2493 et 61 542 ± 1235 ans B.P. ce qui situe l’érosion de l’altérite à une date relativement récente dans le Pléistocène supérieur. Ces phénomènes éclairent d’un jour nouveau la formation des grottes en Haute Belgique. L’évolution du karst de Sprimont trouve son origine dans un massif fantômisé partiellement érodé au cours de la surrection plio-quaternaire. L’apparition du potentiel hydrodynamique responsable de cette érosion trouve son origine dans les différences d’altitude entre pertes supérieures et résurgence à l’aval par enfoncement du niveau de base : la rivière Ourthe. Nous sommes confrontés à un holotype de spéléogenèse dans le cadre d’un relief appalachien. La grotte « Nico » et les phénomènes associés permettent de concevoir un modèle d’évolution des karsts de la Haute Belgique. Enfin, cet exemple montre aussi qu’une distinction claire peut être faite entre le terme karstogenèse qui englobe la fantômisation de celui de spéléogenèse qui ne concerne que le creusement des grottes spéléologiques par érosion mécanique de l’altérite résiduelle.

Abstract

Karstic system of Sprimont shows varied karstic phenomena in a very well defined geological context: a syncline of Carboniferous carbonates enclosed at the north, east and south by impermeable Famennian formations. The axis of the syncline has evolved like a small valley. At the west, Ourthe River cut perpendicularly this syncline in a typical Appalachian relief and constitutes the karstic basis level. Little rivers flow from the Famennian formations to the valley of Sprimont which follows the axis of the syncline. They disappear in swallow holes named “chantoirs” in the local language as soon as they arrive in contact with the carbonates. Tracing tests prove that these rivers merge underground to resurge at the “Trou Bleu”, which constitutes the resurgence of the system, near the Ourthe River. Many caves have been discovered, often of modest dimensions except the recent discovery of the cave “Noû Bleû”. On the other hand, quarries have opened karstic ghost-rock phenomena. Ghost-rock karstogenesis consists in an in situ weathering of the limestone with a phase separation. The soluble part, essentially calcium, magnesium, bicarbonate and colloidal silica, goes out of the system. The residual alterite is constituted by sparitic calcite, dolomite pro parte and insoluble part like quartz, clay and organic matter. This material, the “ghost-rock”, is very porous and mechanically fragile. In a first stage, this evolution takes place with the same initial volume. This first stage of karstification happens during a geological period where there is no hydrodynamical potential. The underground waters flow in the phreatic zone very slowly. They don’t erode the residual alterite and only the soluble elements go out of the system. This ghost-rock can be studied in the walls of the Coreux quarry. During a second phase, if a new hydrodynamics potential appears due to a surrection with incision of the rivers, the underground waters can erode mechanically the residual alterite by subterranean rivers circulation. A “speleological” cave is created with a “normal” karstic evolution. In Sprimont, the Coreux quarry have also opened cavities outcome from initial ghost-rock whose a part of the residual alterite has been eroded to form a cave. In particular, the “Nico” cave was cut by the quarry in which a geological section shows the residual alterite capped above a discordance by river deposits and speleothems. Thus, this erosion is due to underground river circulation. The target of this presentation is to establish the lithostratigraphy of this geological section and make the granulometry with morphology and mineralogy of the grains. The lithostratigraphy analysis shows that the “Nico” cave is the result of the coalescence between two superposed caves. The wall between these two caves has been weathered in ghost-rock. A great part of the residual alterite has been eroded by an underground river which has brought river sediments. The granulometry and mineralogy prove this origin. We find removed grains of alterite like crinoids. The grains are constituted by calcite, dolomite and a little part of insoluble minerals like clays. The sedimentary series are capped by a flowstone which has been dated: 53.851 ± 2.493 and 61.542 ± 1.235 yr B.P. This situates the erosion of the alterite and the hollowing of the cave from a recent period. Those phenomena bring very important informations about the genesis and evolution of the karst in Upper Belgium. The recent evolution of the karst of Sprimont is characterized by two types of phenomena from the ghostrocks. First, partial regressive erosion erodes mechanically the residual alterite from the basic level. At downstream, we have a great cave near the resurgence: the cave of “Noû Bleû”. In this case, the process of alterite erosion is the best succeeded. Second, at upstream of the system, the compaction of the alterite in the vadose zone generates some voids which can favor the birth of swallow holes. Those lost of rivers participate also to the erosion of the alterite. Our present observations in the “Nico” cave result from this phenomenon. After the first phase of karstification with the formation of a ghost-rock, the apparition of a potential, due to the surrection of the Ardenne massif with the incision of rivers, permits to the underground waters to erode mechanically the residual alterite. Thus, we have here a holotype of the speleogenesis in the frame of an Appalachian relief. The cave “Nico” and the associated phenomena permit to extract a model of evolution of the karsts of Upper Belgium. This example shows too that we can make the difference between the term of karstogenesis which consists in the ghost-rock karstification and the speleogenesis which is the opening of caves by erosion of the residual alterite.