Spéléogenèse hypogène liée au volcanisme dans le plateau de l’Ankarana (Madagascar)

Eric GILLI

Professeur honoraire de l’Université Paris 8

[ Le creusement des grottes a longtemps été uniquement expliqué par la dissolution des calcaires, ou autres roches solubles, grâce à l’infiltration des eaux météoriques depuis la surface. Cependant depuis quelques décennies, grâce à l’étude des grottes des Monts Guadalupe (nouveau Mexique) [1], des Black Hills (dakota) [2] et des grottes labyrinthiques d’ukraine [3], d’autres processus impliquant une migration ascendante d’eau profonde ont été révélés dans lesquels les grottes se creusent de bas en haut. On parle alors de spéléogenèse hypogène et ce mécanisme est aujourd’hui largement accepté [4] pour expliquer le creusement de nombreux systèmes karstiques. ]

1.  Situation du massif de l’Ankarana. Figure © Eric Gilli.

        À Madagascar, le plateau de l’Ankarana est une zone karstique entourée de volcans. Un réseau de grottes de plus de 150 km de long y a été exploré. Nous présentons ici l’hypothèse que l’évolution de ce système karstique complexe soit liée à un mécanisme hypogène avec migration de CO₂ et de SO₂, induit par le volcanisme.

2.  Le tsingy de l’Ankarana, une forme de lapiés en aiguilles
Photo © Eric Gilli.

Description

        Situé à l’extrême Nord de Madagascar, à 80 km au Sud d’Antsiranana (Figure 1), l’Ankarana est un plateau calcaire d’environ 35 km de longueur avec une largeur maximale de 10 km et une orientation générale SO-NE. Sa surface est hérissée d’aiguilles rocheuses, le « tsingy » (Figure 2) qui est sa principale particularité, mais d’autres formes rendent ce système karstique inhabituel :

        - le « mur », un important escarpement de faille qui constitue sa limite occidentale (Figure 3) ;

        - les « couloirs », des canyons longs et étroits (Figure 3), à peu près perpendiculaires au mur considérés initialement comme des grottes effondrées ou des grabens tectoniques [5] ;

        - plusieurs « plaines intérieures », bordées de falaises verticales, pour lesquelles deux explications avaient été avancées : vestiges de vastes salles effondrées[6] ou éléments volcano-tectoniques[5].

        Au Nord, le massif est recouvert par les coulées de lave et cônes stromboliens les plus méridionaux du système volcanique de la Montagne d’Ambre (Figures 4 à 6). À l’Est, il est entouré d’une série continue de collines marneuses et gréseuses qui forment les contreforts de la montagne d’Andrafiamena.

3.  Mur et couloir de l’Ankarana
Photo © Eric Gilli

4.  Les volcans de la Montagne d’Ambre
Photo © Eric Gilli

5.  Cône strombolien récent du système de la Montagne d’Ambre
Photo © Eric Gilli

6.  Cône strombolien du système de la Montagne d’Ambre. Noter l’absence de formes d’érosion sur les flancs qui traduit une mise en place récente
Photo © Eric Gilli

Réseau de grottes

        Le gigantesque réseau de grottes est souvent labyrinthique et des passages peuvent atteindre 50 m de large à Mandresy ou Andrafiabe ( Figure 7 ). Les plus grandes galeries sont orientées NE- SO, parallèles au mur de l’Ankarana ( Andrafiabe, Milaintey, Antsatrabonko ). La plupart des galeries explorées sont parcourues par des rivières souterraines permanentes ou temporaires.

        Les grottes les plus importantes sont situées à proximité des formes volcaniques ( filons ou volcans ) et près du mur de l’Ankarana, considéré comme une faille majeure, mais qui pourrait aussi être un important filon de basalte. L’importante érosion karstique, qui masque les formes initiales, ne permet pas de le vérifier.

7.  Grande galerie d’Andrafiabe. Photo © Eric Gilli.

Géologie du plateau de l’Ankarana

        L’Ankarana se développe dans des calcaires du bajocien-bathonien ( Figure 8 ).

        La coupe géologique montre la séquence suivante, de haut en bas [5] [7] :

        - Calcaire crayeux poreux, plus ou moins sableux, très perméable ;

        - 200 m de calcaire cristallin ou sub-lithographique du bathonien avec des fossiles de polypes ;

        - 100 à 150 m d’alternance marno-calcaires et marnes ;

        - 60 m de calcaire marneux du Lias.

8.  Carte géologique du plateau de l’Ankarana et de son réseau de grottes de 150 km de long
Figure © Eric Gilli.

        La structure du plateau est celle d’un vaste synclinal orienté NE-SO ( Figures 8 et 9 ). Il est recoupé par une faille médiane NNE-SSO. Les pendages sont faibles et ne dépassent pas 10°. Le bloc de l’Ankarana s’est comporté comme une dalle rigide et a enregistré tous les mouvements de la région. Ils ont induit deux directions principales de fractures : NE-SO et NO-SE, qui déterminent le mur et les canyons.

        La densité et l’orientation des fractures, ainsi que la présence de plusieurs volcans, suggèrent un soulèvement et un bombement volcanique. Le réseau de fractures induit par ce bombement est très dense. Il détermine la géométrie des lapiés qui découpent intensément la surface de l’Ankarana et forment le tsingy.

        L’origine des canyons et des dépressions circulaires a le plus souvent été attribuée à la dissolution ou à la tectonique, mais une origine volcanique est plus probable. En effet, les filons de basalte ont très probablement joué un rôle important dans l’évolution du karst superficiel et souterrain. La chaleur du basalte a en effet pu métamorphiser le calcaire, et les fluides issus du magma ont rendu possible la présence de solutions corrosives.

9.  coupe géologique de l’Ankarana. Figure © Eric Gilli.

        Plusieurs observations appuient cette hypothèse :

        - des filons de basalte recoupent le calcaire en plusieurs endroits du plateau et des grottes les traversent;

        - les plus grandes grottes sont proches de structures volcaniques ( filons ou volcans ) ;

        - sur les images satellites les principaux canyons sont prolongés, à plusieurs kilomètres à l’Est de l’Ankarana, par des linéaments qui se sont avérés être des filons de basalte ;

        - au centre du Mangily, une grande dépression circulaire à parois verticales ( Figure 10 ), on observe une petite colline de basalte ( Figure 11 ).

        Le volcanisme est donc un phénomène important dans l’Ankarana et nous proposons un processus morphogénétique, qui combine volcanisme, corrosion, métamorphisme et processus d’érosion différentielle.

10.  Paroi nord de la dépression circulaire du Mangily. Photo © Eric Gilli

11.  prismes basaltiques au centre du Mangily
Photo © Eric Gilli

Rôle du volcanisme dans le paysage karstique

        Lorsque la coulée de lave s’écoule à la surface de la roche, elle se refroidit rapidement et cela altère faiblement le calcaire. Cependant, en profondeur, le refroidissement est limité et la chaleur du basalte peut provoquer la calcination du calcaire qui libère du dioxyde de carbone et se transforme en oxyde de calcium à 900 °C . C’est d’ailleurs comme cela que se fabrique la chaux des maçons.

        CaCO₃ => CO₂ (g) + CaO ( oxyde de calcium = chaux )

        CaO + H₂O => Ca(OH)₂ hydroxyde de calcium

        Les solubilités de l’oxyde de calcium et de l’hydroxyde de calcium, (1650 et 1590 mg.L^-1) sont beaucoup plus importantes que celle du calcaire pur (15 mg.L^-1 ou 250 mg.L^-1 sous sa forme hydrogénocarbonate). La zone métamorphisée est donc plus sensible à l’érosion que le calcaire encaissant, ce qui favorise un processus d’érosion différentielle. Ceci est l’analogue de ce qui se passerait pour un mur maçonné en pierres calcaires assemblées avec un mortier de chaux. Soumis aux précipitations les joints se dissoudront plus rapidement que les pierres.

        Ce mécanisme a été observé à l’Est de l’Ankarana où un filon de basalte recoupe le calcaire, dans une zone récemment dénudée ( Figure 12 ). On peut y voir que ce basalte a induit un métamorphisme thermique de contact dont la limite, entre calcaire et bande métamorphisée, est nette. Les affleurements montrent une paroi calcaire verticale, près de laquelle la zone métamorphisée se dissous rapidement tandis que le basalte est affecté par un processus classique d’altération en boules.

12.  filon de basalte et zone métamorphisée dans les calcaires à l’est de l’Ankarana
Photo © Eric Gilli.

Genèse des canyons

        Cette observation permet de comprendre la genèse des couloirs de l’Ankarana qui résulte d’une érosion différentielle des basaltes, des zones métamorphiques et des calcaires encaissants ( Figure 13 ).

        Les bandes métamorphiques, solubles et étroites, ne constituent pas une barrière hydrogéologique et peuvent être facilement traversées par les circulations d’eau souterraines, ce qui a d’ailleurs été observé lors des explorations spéléologiques. Ainsi, dans la plupart des grandes grottes ( par exemple Andrafiabe ou Milaintety ), les galeries principales s’étendent de part et d’autre des canyons. Cela montre que les canyons sont plus jeunes que les grottes, alors que les filons de basalte sont plus anciens.

        En profondeur, le système karstique évolue avec des réseaux de grottes qui peuvent traverser des filons profonds de basalte et des zones métamorphisées. Ils peuvent être affectés ou non par la dissolution, en fonction de la direction des circulations d’eau. Si les circulations d’eau souterraine sont Nord-Sud, perpendiculaires aux filons, elles ne font que les traverser, alors que si elles s’établissent dans une direction Est-Ouest, elles les modifient et les élargissent.

        En surface, lorsque les calcaires et filons de basalte sont recouverts d’une couche de marnes ou de produits d’altération, ils sont protégés de la dissolution. Mais lorsque le calcaire est complètement dénudé, la karstification météorique devient active et provoque la naissance du tsingy, ce qui favorise l’altération des filons et de la bande métamorphisée qui évolue rapidement en s’élargissant et en s’approfondissant. Dans la plupart des cas, les roches altérées sont complètement érodées et des blocs de calcaire, effondrés depuis les parois latérales, masquent le substratum calcaire métamorphisé et les filons de basalte initiaux.

        Le phénomène peut être plus ou moins important selon l’étendue de la zone métamorphisée. Mais il dépend aussi de la nature du système filonien, le basalte pouvant former un filon continu ou discontinu. Cela permet alors une variété de formes de canyons, allant du simple élargissement d’une fracture à de vastes couloirs aux parois verticales. Cela permet également de comprendre pourquoi certains canyons sont continus alors que d’autres s’interrompent brusquement et se poursuivent quelques dizaines de mètres plus loin.

        Tant que l’altération n’atteint pas le substratum imperméable du karst, la circulation des eaux profondes reste possible sous le fond des canyons, ce que prouve la présence au Sud du massif, de la source principale unique qui le draine.

        Les plus grands couloirs, ainsi que ceux dont la couverture imperméable a été dénudée depuis longtemps, peuvent s’élargir et s’approfondir, jusqu’à atteindre le substratum liasique. Ceci provoque alors un isolement complet du système karstique et individualise des buttes calcaires, de tailles différentes, telles que celles observées au Sud du massif, où le plateau de l’Ankarana s’enfonce progressivement sous les alluvions de la Mahavavy, principal fleuve du secteur.

13.  Genèse d’un couloir (canyon) dans le plateau de l’Ankarana. Les couloirs sont formés par l’érosion différentielle des basaltes, des zones métamorphisées et des calcaires.
Figure et Photo © Eric Gilli.

Genèse des dépressions circulaires

        La structure circulaire appelée Mangily résulte d’un mécanisme similaire avec l’intrusion d’un neck basaltique ( Figure 14 ). Ce cirque a un diamètre d’environ 850m×550m, avec des parois parfaitement verticales de 50 m de haut. Son centre est occupé par un petit monticule volcanique où l’orientation des orgues basaltique montre une ascension verticale du basalte ( Figure 11 ). Ce monticule est entouré d’une zone plate marécageuse, sans blocs, ce qui élimine l’hypothèse de l’effondrement d’une grande salle karstique souterraine. La chaleur, due à l’intrusion du basalte, a transformé le calcaire en chaux, laquelle a été rapidement dissoute.

14.  Genèse du Mangily, plus grande dépression circulaire du plateau de l’Ankarana.
Figure © Eric Gilli.

Rôle du volcanisme dans la spéléogenèse

        Ce mécanisme, qui explique facilement les reliefs de surface de l’Ankarana, peut être étendu à la genèse du réseau de grottes (Figure 11). Le rôle du volcanisme dans la spéléogenèse a déjà été suggéré pour expliquer une plus grande karstification dans les Apennins ( Italie centrale ), près des édifices volcaniques et le rôle possible du CO₂ et du SO₂ magmatiques y a été discuté [8].

        Le mur de l’Ankarana est une faille normale majeure qui met en contact le calcaire du Jurassique moyen avec des séries imperméables plus récentes ( marnes et marno-calcaires du Jurassique et du Crétacé ). Avant l’érosion de ces séries imperméables, le mur constituait donc une limite hydrologique vers l’Ouest pour les eaux souterraines karstiques. Cette faille a aussi pu permettre la mise en place d’un important filon de basalte.

        L’exploration spéléologique a montré qu’un réseau primitif de grandes grottes et de labyrinthes s’est établi dans le Nord de l’Ankarana ( par exemple à Andrafiabe, Milaintety et Antsatrabonko ) (Figure 8).

        Dans la région des buttes du Sud, le système de grottes montre également des vestiges de grandes galeries, plus ou moins parallèles au mur de l’Ankarana. Cela confirme l’importance de ce mur dans la spéléogenèse.

        Cependant, la position et la taille de ce réseau primitif sont difficiles à comprendre. Il se trouve sur le côté Ouest du synclinal, loin de l’axe sur lequel est calé le drainage actuel des eaux souterraines (Figure 8). De plus, il est douteux que ce réseau original de grandes galeries ait pu être alimenté par des infiltrations d’eau en provenance du Nord et de l’Est, alors que la présence de buttes du Jurassique supérieur à la surface du Plateau tend à prouver une dénudation karstique récente qui a débuté à l’Est. Une origine profonde des circulations d’eau primitives peut être avancée, une partie des fluides pouvant provenir du magma sous-jacent (Figure 15).

        Les magmas peuvent contenir des concentrations importantes de CO₂ et de H₂O allant de quelques ⁰/₀₀ à environ 10% en poids pour les zones de subduction [8]. Ces fluides modifient considérablement les propriétés physiques et chimiques des magmas. Ils affectent les processus géologiques fondamentaux tels que la fusion partielle, l’ascension, l’éruption, le dégazage et la cristallisation des magmas. Leur rôle dans le transport et la redistribution des métaux dans les corps minéralisés hydrothermaux sont bien connus, et leurs impacts possibles sur la spéléogenèse ont parfois été proposés [4].

        Ces fluides magmatiques à haute pression peuvent dégazer lorsque le magma s’approche de la surface. Le dégazage est maximal pendant l’éruption, mais il peut également se produire avant que la lave n’atteigne la surface [10].

        Par exemple, pour le dégazage continu du Stromboli, les quantités sont estimées entre 6000 et 12000 tonnes/jour de gaz principalement composé de H₂O, CO₂ et SO₂ [11].

        Le volcanisme dans les régions calcaires peut donc produire de grandes quantités d’eau acidifiée par le CO₂ ce qui favorisera la dissolution des carbonates. Il est donc très probable que les différentes phases du volcanisme de l’Ankarana se soient accompagnées d’une circulation de fluides conduisant à la dissolution du calcaire dans un mécanisme de spéléogenèse hypogène.

        Les grottes hypogènes se creusent au niveau, ou au-dessus, de la nappe aquifère, principalement par condensation-corrosion, en raison de la combinaison de la convection thermique, de la corrosion sulfurique et de la corrosion carbonique [12] [13].

        En présence d’oxygène et d’eau, le dégazage du SO₂ favorise la production d’acide sulfurique qui dissout le calcaire et produit du gypse [1].

        2 SO₂ (g) + O₂ (g) + 2 H₂O (l) => 2 H₂SO₄ (aq)

        H₂SO₄ (aq) => 2 H₃O⁺ + SO₄^2-

        CaCO₃ + 2 H₃O⁺ + SO₄^2- => CO₂ + (Ca SO₄ 2 H₂O) gypse.

        Du gypse a été trouvé sur le sol dans les niveaux supérieurs de la grotte de Milaintety, ce qui soutient l’hypothèse hypogénique.

        Ce mécanisme permet le creusement d’importants vides souterrains dans le karst couvert. Il ouvre des perspectives intéressantes pour la recherche de zones capacitives dans des zones calcaires non affleurantes qui n’ont pas été karstifiées depuis la surface mais qui ont pu l’être en profondeur et qui pourraient donc constituer d’intéressants aquifères [14] ou des gisements de pétrole.

        Pour en savoir plus sur le plateau de l’Ankarana et le mécanisme de spéléogenèse hypogène on peut consulter les publications de l’auteur [16] [17].

15.  Genèse du Mangily, plus grande dépression circulaire du plateau de l’Ankarana.
Figure © Eric Gilli.

16.  Le trou de Mangily, d’un diamètre d’environ 850 m × 550 m, avec des parois verticales de 50 m de haut.
( photo Google Earth )