Étymologie
par Neven Kresic (Water in Karst, Mc Graw Hill, 2013, p. xiii)
« Le Karst est un terme scientifique nommé d’après le district géographique situé entre la Slovénie et Trieste, en Italie, qui présente un paysage très distinct. C’est un mot germanisé pour « carso » (en italien) et « kras » en (slovène); les trois mots sont tous dérivés du mot indo-européen « kar » ou « karra », qui signifie rocheSomeCertains mots courants des langues slaves de la région karstique sont devenus des termes scientifiques internationaux décrivant les caractéristiques du karst, principalement grâce au géomorphologue serbe Jovan Cvijić qui a été le premier à défendre une thèse de doctorat et à publier une monographie scientifique exclusivement consacrée au karst (Cvijić, 1893). » (Figures 1,2)
Paysage
par Derek Ford & Paul Williams (Hydrogéologie et géomorphologie karstiques, Wiley, 2007, p. 1)
« Nous pouvons définir le karst comme comprenant un terrain avec une hydrologie et des reliefs distinctifs qui résultent d’une combinaison d’une solubilité élevée dans les roches et d’une porosité secondaire (de fracture) bien développée. Ces zones sont caractérisées par des ruisseaux coulants, des grottes, des dépressions fermées, des affleurements rocheux cannelés et de grandes sources. La solubilité considérable de la roche à elle seule est insuffisante pour produire du karst. La structure rocheuse et la lithologie sont également importantes: les roches denses, massives, pures et grossièrement fracturées développent le meilleur karst… L’expérience montre que de nombreux hydrogéologues supposent à tort que si les reliefs karstiques sont absents ou non évidents à la surface, le système d’eaux souterraines ne sera pas karstique. Cette hypothèse peut entraîner de graves erreurs dans la gestion des eaux souterraines et l’évaluation de l’impact sur l’environnement, car la circulation des eaux souterraines peut se développer même si le karst de surface n’est pas apparent. »
Caractéristiques
La liste des caractéristiques karstiques résultant de processus de dissolution et de karstification érosive est longue et comprend une variété d’objets micro et macro superficiels et souterrains. Parmi eux se trouvent des karrens ou des lapies, des dolines ou des dolines, des uvalas, des poljes, des vallées aveugles et suspendues, des ruisseaux coulants, des cavernes (Figure 3), des ponors ou des trous d’hirondelles (Figure 4), des nids de poule, des grottes (Figure 5).
Le glossaire de ces termes et de nombreux autres termes utilisés en karstologie est disponible ICI (maintenu par Alexander Klimchouk et al.)
Classification des aquifères karstiques
par Zoran Stevanović (Aquifères karstiques – Caractérisation et ingénierie, Springer, 2015, p. 25-29, 49)
» Les roches karstiques sédimentaires peuvent généralement être classées en deux grands groupes:
- roches carbonatées
- roches évaporitiques
Les roches carbonatées sont formées de minéraux de calcium et de magnésium : calcite, dolomie, aragonite et magnésite, et comprennent les deux groupes principaux:
- calcaires (CaCO3) et
- dolomites (CaCO3 x MgCO3)
avec une large gamme de variétés.
Au groupe des évaporites appartiennent les roches et les minéraux qui contiennent des anions SO4 ou Cl:
- l’anhydrite (CaSO4),
- gypse (CaSO4 x 2H2O)
- halite (NaCl) et
- sylvite (KCl).
La dissolution de la calcite (1) de la dolomie (2) et du gypse (3) s’exprime par les équations suivantes:
CaCO3 + H2O + CO2 ↔ Ca2+ + 2HCO3 (1)
CaMg(CO3)2 + 2H2O + 2CO2 ↔ Ca2+ + Mg2+ + 4HCO3 (2)
CaSO4 x 2H2O → Ca2+ + SO4 2- + 2H2O (3)
According to the dominant type of rocks of which karstic aquifer consists the following classification can be made:
- Carbonate karst aquifer,
- Dolomitic karst aquifer,
- Marble karst aquifer,
- Chalky karst aquifer,
- Anhydritic karst aquifer,
- Gypsum karst aquifer,
- Halitic karst aquifer.
Compte tenu des structures et des propriétés hydrodynamiques, il existe:
- Aquifère karstique non confiné (Figure 6),
- Aquifère karstique confiné,
- Aquifère karstique semi-confiné. »
Caractéristiques hydrogéologiques des aquifères karstiques
par Nico Goldscheider (site web de KC, 2009-2013)
» Évolution : Les aquifères karstiques se forment par l’écoulement d’eau contenant du dioxyde de carbone (CO2) qui dissout les roches carbonatées. Par conséquent, il existe une relation étroite entre l’évolution de l’aquifère, la formation de grottes (spéléogenèse) et l’écoulement des eaux souterraines.
Individualité: Bien qu’il existe de nombreuses similitudes entre les différents systèmes karstiques, chaque système karstique est également un cas particulier et la généralisation est difficile. La figure 7 présente un modèle simpliste d’un aquifère karstique typique.
Hétérogénéité: Les propriétés des aquifères karstiques varient considérablement dans l’espace. Il peut y avoir de grandes quantités d’eau dans une grotte, mais un forage à quelques mètres peut être complètement sec.
Anisotropie: Les propriétés hydrauliques de l’aquifère dépendent de l’orientation des éléments du tissu géologique; par exemple, la conductivité hydraulique est généralement élevée dans la direction des grandes fractures et des conduits, mais peut être faible dans d’autres directions.
Dualité de recharge: L’eau de recharge peut provenir de la zone karstique elle-même (recharge autogène) ou de zones non karstiques adjacentes (recharge allogénique).
Dualité de l’infiltration: L’infiltration se produit à travers le sol et la zone insaturée (infiltration diffuse), et peut également être concentrée via des trous d’hirondelles / puits (infiltration ponctuelle).
Dualité de la porosité et de l’écoulement: Il existe deux, voire trois types de porosité dans les aquifères karstiques: les pores intergranulaires dans la matrice rocheuse, les discontinuités rocheuses communes telles que les fractures (fissures) et les plans de litière, et les vides élargis en solution tels que les canaux et les conduits développés à partir des discontinuités initiales. Alors que l’écoulement des eaux souterraines dans la matrice et les petites fissures est généralement lent et laminaire, l’écoulement dans les conduits karstiques (grottes) est souvent rapide et turbulent.
Variabilité: La nappe phréatique des aquifères karstiques peut parfois fluctuer de 10 ou même de 100 mètres sur de courtes périodes, et les sources karstiques présentent généralement des variations rapides du débit et de la qualité de l’eau. »
Le karst dans le contexte des systèmes d’écoulement régionaux
par Judit Mádl-Szőnyi (White, 1969; Mádl-Szőnyi et Tóth 2015, Palmer 1991, 1995, Klimchouk 2000, 2007; Goldscheider et al. 2010)
Karst épigénique: c’est le produit de l’effet corrosif de l’infiltration des eaux souterraines sur les aquifères carbonatés. Il peut évoluer dans des carbonates peu profonds, essentiellement non confinés, et est lié aux effets de dissolution de l’eau froide dans les systèmes d’écoulement locaux. Ce sont les zones karstiques typiques avec des caractéristiques de surface et de sous-surface caractéristiques.
Karst profond : Karst où il s’étend à des profondeurs considérables en dessous du niveau de base.
Karst hypogène: Généré par des sources profondes d’énergie, de fluides et de gaz, y compris la solubilité rétrograde de la calcite, le mélange de corrosion par différents fluides induits par un écoulement de formation croisée et la dissolution par des acides géogènes. Il peut évoluer dans des zones karstiques confinées profondes associées à des eaux tièdes et thermales de systèmes d’écoulement régionaux ou intermédiaires sans aucune caractéristique de surface significative.
Références recommandées pour des lectures complémentaires:
Goldscheider N, Mádl-Szőnyi J, Erőss A, Schill E (2010) Ressources en eau thermale dans les aquifères de roches carbonatées. Hydrogéol J 18 (6): 1303-1318
Klimtchouk A (2007) Spéléogenèse hypogène: perspective hydrogéologique et morphogénétique. Papier spécial non. 1, Institut national de Recherche sur les Grottes et le Karst, Carlsbad, NM
Mádl-Szőnyi J Tóth Á (2015) Modèle conceptuel d’écoulement des eaux souterraines à l’échelle du bassin pour une région carbonatée épaisse non confinée et confinée. Hydrogéol J 23 (7): 1359-1380
Méthodes d’étude des systèmes aquifères karstiques
par Nico Goldscheider (site web de KC, 2009-2013)
» En raison des caractéristiques décrites ci-dessus, les méthodes hydrologiques et hydrogéologiques conventionnelles échouent souvent lorsqu’elles sont appliquées au karst; leurs adaptations et leurs méthodes spécifiques au karst sont donc nécessaires.
Méthodes géologiques: La lithologie, la stratigraphie, la fracturation, la configuration des failles et les structures des plis sont cruciales pour comprendre l’écoulement des eaux souterraines dans les aquifères karstiques.
Spéléologie: Les conduits et les canaux souterrains sont cruciaux pour l’écoulement des eaux souterraines dans les aquifères karstiques. Les grottes permettent d’entrer dans l’aquifère et d’observer et d’étudier directement une partie du réseau conduit-canal.
Méthodes hydrologiques: En raison de la grande variabilité des débits des ruisseaux coulants, des ruisseaux de grottes et des sources karstiques, la surveillance continue de la quantité et de la qualité de l’eau est cruciale dans les études hydrogéologiques karstiques.
Méthodes hydrauliques: Les cartes potentiométriques et les tests hydrauliques dans les forages et les puits sont largement appliqués en hydrogéologie mais nécessitent des adaptations spécifiques lorsqu’ils sont appliqués au karst.
Techniques isotopiques: Les isotopes stables et radioactifs peuvent aider à identifier l’origine de l’eau, à déterminer les temps de transit et à caractériser les processus de mélange.
Essais de traceurs: Les tests de traceurs (Figure 8) sont la méthode la plus puissante pour identifier les connexions point à point (généralement entre les trous d’hirondelles / éviers et les ressorts), pour délimiter les bassins versants karstiques et pour caractériser l’écoulement et le transport dans les réseaux de conduits.
Méthodes géophysiques: La géophysique peut aider à identifier les emplacements de forage de puits, à étudier les cavités souterraines (dolines potentielles) et à obtenir d’autres informations sur la structure de l’aquifère.
Modélisation: Les modèles mathématiques peuvent aider à mieux comprendre la spéléogenèse, l’écoulement et le transport dans les aquifères karstiques. Cependant, il existe des exemples (par exemple, la figure 9) où l’application de modèles conventionnels d’écoulement des eaux souterraines dans des environnements karstiques a produit des résultats catastrophiquement erronés et a abouti à la délimitation de zones de protection des sources manifestement inadéquates, entraînant des épidémies, tout cela parce que la nature spécifique du karst a été ignorée. »
Utilisation des eaux souterraines karstiques
par Zoran Stevanović (Aquifères karstiques – Caractérisation et ingénierie, Springer, 2015, p. 111-112, 116-119, 299, 109-111)
Qualité de l’eau
« La dissolution des roches et la durée du contact direct eau–roche entraînent une qualité variable des eaux souterraines aux points de rejet. Les composants minéraux des eaux karstiques dépendent de la composition des roches à travers lesquelles l’eau percole: Les eaux de type hydrocarbonate (HCO3) – calcium Ca) sont créées à partir de la dissolution du carbonate de calcium qui est un type d’eau dominant dans le calcaire, tandis que les eaux souterraines de type hydrocarbonate (HCO3)–magnésium (Mg) sont présentes dans une moindre mesure et sont régulièrement reliées aux roches dolomitiques.
Langmuir (Physical and chemical characteristics of carbonate water, 1984) énumère les processus qui contrôlent et influencent la qualité des eaux souterraines avant qu’elles n’atteignent le site de source ou la tête de puits. Ces processus sont les suivants:
- La composition des précipitations atmosphériques infiltrées;
- Pertes d’évapotranspiration dues à la recharge des eaux souterraines et aux eaux souterraines peu profondes;
- L’acidité et le degré de sous-saturation de la recharge des eaux souterraines;
- La disponibilité et la solubilité du carbonate et des roches associées, y compris l’halite, le gypse et l’anhydrite;
- Taux de solution des roches et temps de contact;
- Processus hydrologiques tels que la dilution par recharge d’eau douce et le mélange d’eaux souterraines différentes;
- Processus anthropiques, y compris la pollution des eaux souterraines par les déchets et les lixiviats des déchets solides.
Il est presque une règle que les eaux souterraines dans les structures karstiques ouvertes soient peu minéralisées, ce qui résulte de l’échange intensif d’eau et de la filtration rapide. Dans les parties plus profondes de l’aquifère, une filtration plus lente entraîne une augmentation de la minéralisation. Cette variation est souvent minime, mais indique néanmoins une certaine différenciation qui peut être importante dans des circonstances spécifiques (par exemple en cas de pollution).
Par conséquent, dans le cas du karst carbonaté, la qualité des eaux karstiques naturelles est excellente presque par définition: il est confirmé dans de nombreux endroits dans le monde que l’eau issue des bassins versants non peuplés des massifs montagneux est sanitaire et pure alors que ce n’est qu’exceptionnellement qu’il pourrait y avoir une petite quantité de bactéries présentes. Mais si des sources de pollution sont présentes dans le bassin versant d’un aquifère karstique non confiné, de graves dangers s’ensuivent.
Puiser les eaux karstiques
Puiser les eaux souterraines n’est jamais une tâche facile en grande partie parce que nous avons affaire à une « ressource invisible ». La situation est cependant encore plus compliquée lorsqu’on a affaire à un aquifère non homogène et anisotrope tel que le karst : il est très souvent nécessaire d’atteindre, de capter et de capter les eaux souterraines qui circulent à travers des vides ou à travers des blocs poreux isolés du reste de la masse rocheuse.
On peut distinguer les deux principaux types de taraudage des eaux souterraines dans le karst:
- Puiser l’écoulement des eaux souterraines karstiques aux points de décharge – sources (Figure 10).
- Puiser les eaux souterraines karstiques dans le bassin versant de l’aquifère – structures artificielles telles que des puits, des galeries ou d’autres structures similaires (Figure 11).
Les eaux souterraines sont exploitées non seulement pour les exploiter à des fins d’eau potable, industrielles, d’extraction de chaleur ou d’irrigation, mais également pour l’assèchement dans le cas de fosses de mines, de zones urbaines ou de terres cultivées qui doivent être protégées d’une nappe phréatique élevée.
Utilisation à des fins différentes
Les sources karstiques sont largement utilisées comme source d’approvisionnement en eau potable. De nombreux pays utilisent des sources karstiques simplement parce qu’il n’y a pas d’autres alternatives, mais dans de nombreux autres pays, la prise de conscience de leur importance et de la bonne qualité de l’eau qu’elles fournissent est un facteur principal pour une telle décision. Les aquifères karstiques ont une part importante de l’approvisionnement en eau dans les régions suivantes: Europe du Sud-Est (Alpes et Carpates), bassin méditerranéen, Proche-Orient et Moyen-Orient, Péninsule arabique et Corne de l’Afrique, Asie du Sud-Est, Afrique du Nord, bassin des Caraïbes et Amérique centrale, et partie sud des États-Unis.
Le drainage naturel des aquifères par des sources peut couvrir les besoins en eau à grande échelle: de l’approvisionnement à plusieurs millions de villes au niveau régional, jusqu’au niveau très local où il s’agit de l’approvisionnement en une ou plusieurs maisons. Bien que ce dernier ne soit pas un gros problème en termes de quantité d’eau, pour le grand consommateur, un très grand aquifère et un débit printanier sont nécessaires. Il existe un large éventail d’utilisations des eaux karstiques. Dans les régions arides du Proche-Orient et du Moyen-Orient, il est par exemple très courant d’exploiter des sources karstiques et de construire des canaux gravitaires pour irriguer les terres arables. L’eau de source est également largement utilisée pour l’arrosage des animaux, et l’eau douce de bonne qualité assure la sécurité de la santé et de la croissance des animaux.
L’utilisation des eaux karstiques dans la production hydroélectrique en utilisant une tête hydraulique élevée se limite principalement aux Alpes (Autriche, Suisse), tandis que les propriétés thermiques des eaux et des sources karstiques sont utilisées ailleurs. Enfin, le nombre de sources karstiques utilisées dans l’industrie mondiale de l’embouteillage de l’eau, qui génère un chiffre d’affaires annuel d’environ 13 milliards de dollars, est très important et les aquifères karstiques sont probablement en tête de liste des aquifères d’où proviennent ces sources « .
Références recommandées pour de plus amples lectures:
Bakalowicz M (2005) Eaux souterraines karstiques: Un défi pour de nouvelles ressources. Hydrogéol J, 13: 148-160
Bonacci O (1987) Hydrologie karstique avec une référence particulière au Karst Dinarique. La Maison d’édition Springer, Berlin, 184 pages.
Burger A, Dubertret L (eds) (1984) Hydrogéologie des terrains karstiques. Histoires de cas. Contributions internationales à l’hydrogéologie, IAH, vol 1, Verlag Heinz Heise, Hanovre, 264 p.
Drew D, Hötzl H (1999) Hydrogéologie karstique et activités humaines. Impacts, Conséquences et implications. Balkema, Rotterdam, 322 pages.
Ford D, Williams P (2007) Hydrogéologie et géomorphologie karstiques. Wiley, 576 pages.
Goldscheider N, Drew D (Éd.) (2007) Méthodes d’hydrogéologie karstique. Taylor & Francis, Londres, 264 p.
Käss W (1998) Technique de traçage en géohydrologie. Balkema, Rotterdam, 581 pages.
Kresic N, Stevanović Z (Éd.) (2010) Hydrologie des eaux souterraines des sources. Ingénierie, Théorie, Gestion et Durabilité. Elsevier Inc. BH, Amsterdam, 573 pages.
Kresic N (2013) Eau dans le karst. Gestion, Vulnérabilité et Restauration. McGraw Hill, New York, 708 pages.
Milanović P (2004) Ingénierie des ressources en eau dans le Karst. CRC Press, Boca Raton, FL, 312 p.
Palmer AN, Palmer MV, Sasowsky ID (Éd.) (1999) Modélisation karstique. Publication spéciale 5, Institut des eaux karstiques, Charles Town, WV, 256 pp.
Parise, M. & Gunn, J. (dir.) 2007. Risques Naturels et Anthropiques dans les Zones Karstiques: Reconnaissance, Analyse et Atténuation. Géolocalisation Soc. Londres, sp. publ., 279 pages.
Stevanović Z (Ed.) (2015) Aquifères karstiques – Caractérisation et ingénierie. Série: Pratique professionnelle en Sciences de la Terre, Stagiaire Springer. Publ., 692 pages.
White WB (1988) Géomorphologie et hydrologie des terrains karstiques. La presse de l’Université d’Oxford, New York, NY, 464 p.