Cellules de convection géothermiques et fantômisation

Abstract

International audienceThe initiation of speleogenesis has always been an enigma whenit is viewed in its geological context. The discovery of ghostrock and especially their systemic conception within the frameworkof karstogenesis leads to reconsider this initiation. “Ghosting” is the division of the bedrock into two phases: the weatheringdivides the bedrock in a soluble phase exported out of the system and a residual phase constituting the alterite. The examplesof the karsts of Lombardy and the paleokarsts of Hainaut have shown that this ghosting takes place several hundred metersbelow the water table. The Saint‐Ghislain geothermal field (Hainaut, Belgium) illustrates a solution to the explanation of the initiation of karstogenesis. This aquifer of limestone and carboniferous anhydrites outcrops north of the Mons Basin and sinks to a depth of 1,700 to 4,300 m under the coal formations vertically above the town of Saint‐Ghislain, west of Mons (Hainaut, Belgium). The application of thermo‐hydrodynamic models to this blind aquifer allows us to consider the appearance of convection cells fed by the geothermal gradient. Thus, depending on an initial permeability and above a limit thickness, a slow circulation of water begins and causes ghosting which can then be linked to a hypogenous type speleogenesis, chemical energy here being provided both by bacterial oxidation‐reduction reactions on sulphides and the physical dissolution of sulphates. The phantom of rock is thus created, the alterite being able to be partially eroded later thanks to the appearance of a hydrodynamic potential, whether it is of gravity or, as here, of geothermal origin.L'initiation de la spéléogenèse a toujours constitué une énigme lorsqu'elle est considérée dans son contexte géologique. La découverte des fantômes de roche et surtout leur conception systémique dans le cadre de la karstogenèse conduit à reconsidérer cette initiation. La fantômisation est la division de la roche-mère en deux phases : une phase soluble exportée hors du système et une phase résiduelle constituant l'altérite. Les exemples des karsts de Lombardie et les paléokarsts du Hainaut ont montré que cette fantômisation se déroule plusieurs centaines de mètres sous la surface piézométrique. Le champ géothermique de Saint-Ghislain (Hainaut, Belgique) illustre une solution apportée à l'explication de l'initiation de la karstogenèse. Cet aquifère de calcaires et anhydrites carbonifères affleure au nord du Bassin de Mons et s'enfonce jusque 1700 à 4300 m de profondeur sous les formations houillères à la verticale de la ville de Saint-Ghislain, à l'ouest de Mons (Hainaut, Belgique). L'application de modèles thermo-hydrodynamiques à cet aquifère aveugle permet de considérer l'apparition de cellules de convection alimentées par le gradient géothermique. Ainsi, en fonction d'une perméabilité initiale et au-dessus d'une épaisseur limite, une circulation lente d'eau s'amorce et provoque la fantômisation que l'on peut alors rattacher à une spéléogenèse de type hypogène, l'énergie chimique étant ici apportée à la fois par les réactions bactériennes d'oxydo-réduction sur sulfures et la dissolution physique des sulfates. Le fantôme de roche se crée ainsi, l'altérite pouvant être érodée partiellement plus tard à la faveur de l'apparition d'un potentiel hydrodynamique, qu'il soit d'origine gravitaire ou, comme ici, d'origine géothermique