Les sources thermominérales d'Auvergne : aspects géologiques

Pierre Thomas

Laboratoire de Sciences de la Terre, ENS-Lyon

David Busti

Préparation Agrégation SV-STU, ENS-Lyon

Marc-André Selosse

Centre d'Écologie Fonctionnelle et Évolutive, Univ. Montpellier 2

Olivier Dequincey

ENS Lyon / DGESCO

10/03/2008

Résumé

Géologie des sources thermominérales et de leurs dépôts. Source de la Tête de Lion, grottes du Cornadore (Saint Nectaire), sources du Réotier et de Saurier, bords de l'Allier.


Cet article est issu d'un consortium symbiotique entre trois auteurs. Pierre Thomas, le régional de l'étape, a rédigé cet article, David Busti et Marc-André Selosse ont apporté des compléments biologiques et relus les épreuves. Nous remercions M. Pierre Simon, propriétaire de la grotte du Cornadore à Saint Nectaire, pour nous avoir permis de filmer et photographier à l'intérieur de la grotte.

Le Massif Central est, avec les Pyrénées, une des régions les plus riches en sources thermales et minérales de France. Ces sources d'eaux minérales sont assez souvent chaudes (le record est de 82°C à Chaudes-Aigues dans le Cantal) et très souvent chargées en CO2. La majorité des eaux gazeuses françaises du commerce vient d'ailleurs du Massif Central ou de sa périphérie immédiate (Badoit, Perrier, Quézac, Saint-Yorre, Salvetat, Vals…). Ces sources plus ou moins chaudes et gazeuses sont en outre très souvent chargées en carbonates dissous, et elles déposent des travertins de carbonates de calcium, bien qu'en majorité localisées dans des pays non calcaires, mais granitiques ou volcaniques. Au niveau de ces sources et de leur minéralisation, prolifèrent des écosystèmes bactériens assez originaux.

Dans cet article, nous étudierons la géologie de ces sources et de leurs dépôts. Dans un autre article, nous en étudierons les écosystèmes associés et autres aspects biologiques.

Présentation générale

Il existe des dizaines de sources carbo-gazeuses et/ou thermominérales en Auvergne. Le site "sources d'Auvergne" en donne une liste non exhaustive. Certaines de ces sources sont en pleine nature et ne sont absolument pas aménagées ni même signalées, et ne sont pas, bien sûr, protégées. D'autres sont en milieu naturel, sommairement aménagées et signalées, et accessibles grâce à des sentiers. C'est le cas de la source de la Tête de Lion (commune de Saint Floret), ou des sources de Saurier. D'autres enfin sont aménagées pour la visite. C'est le cas des sources des grottes du Cornadore à Saint-Nectaire (Puy de Dôme). Ces grottes creusées de main d'homme il y a 2000 ans dans le granite de Saint-Nectaire, sont les vestiges de bains et de thermes gallo-romains. Actuellement le site est touristique : il est visité pour la présence d'une source tiède très minéralisée qui donne de belles concrétions (stalactites, stalagmites, gours, perles des cavernes…). Ces eaux sont par ailleurs utilisées pour la pétrification d'objets divers (végétaux, bouteilles…) par précipitation d'une fine couche de carbonate de calcium. Nous remercions ici le propriétaire de la grotte pour son accueil et pour avoir autorisé la prise de photographies et de séquences filmées.

Figure 1. La source de la Tête de Lion, Saint Floret (63)

La source de la Tête de Lion, Saint Floret (63)

Cette source est située en pleine forêt. Elle est sommairement aménagée et signalée par un panneau.


Figure 2. Table de pétrification, grottes du Cornadore, Saint Nectaire (63)

Table de pétrification, grottes du Cornadore, Saint Nectaire (63)

Cette source est aménagée pour la visite et pour la fabrication artisanale d'objets pétrifiés. De l'eau chargée d'ions Ca2+ et HCO3- est amenée en haut de ces "escaliers". En ruisselant de marche en marche, elle dépose du calcaire qui recouvre les objets qui ont été déposés. Ces objets sont ensuite proposés à la vente.


Ces sources posent plusieurs questions géologiques à propos de leurs eaux :

  • quelle est l'origine de l'eau qui en sort ?
  • quelle est l'origine de leur haute température ?
  • quelle est l'origine du CO2 qu'elles contiennent ?
  • quelle est l'origine de l'H2S, des ions Cl-… qu'elles contiennent ?
  • quelle est l'origine des ions Ca2+, Fe2+… qu'elles contiennent ?
  • quelles sont les origines des différentes concrétions visibles aux points d'émergence (points d'émergence appelé griffons) ?

L'origine des eaux et de leur haute température

Si les eaux sont chaudes, c'est qu'elles viennent de grande profondeur, et qu'elles sont remontées assez vite pour que leur température n'ait pas eu le temps de s'équilibrer avec la température de l'encaissant superficiel. Ces eaux venues de la profondeur pourraient théoriquement avoir deux origines : des eaux de pluie, infiltrées par des fractures, descendant assez profondément dans la croûte, se réchauffant et remontant "convectivement" par d'autres fractures. Cela pourrait aussi être des eaux venues directement du dégazage et de la déshydratation du manteau, des eaux dites parfois "juvéniles".

La composition isotopique moyenne de la pluie et de la neige dans une région donnée dépend principalement de deux facteurs : la température moyenne de la région (donc l'altitude et la latitude) et la distance à la mer. Plus une région est froide, et/ou plus elle est loin de la mer, plus la pluie est appauvrie en isotopes lourds de l'hydrogène (2H) ou de l'oxygène (18O). Chaque région a donc une composition isotopique des précipitations qui lui est propre. Et partout dans le monde, les sources thermominérales ont une composition isotopique (en 2H en particulier) identique à celle de la moyenne annuelle des précipitations locales. Les eaux thermales sont donc de l'eau de pluie ou de neige ayant circulé et s'étant réchauffée en profondeur et ne sont pas constituées d'eau mantellique juvénile.

L'origine du CO2 (et des ions HCO3 -), des ions Cl-

De nombreuses sources auvergnates sont très riches en CO2, bullent et bouillonnent (figure 3).

Figure 3. Source d'eau gazeuse bouillonnante, source de la Tête de Lion, Saint Floret (63)

Source d'eau gazeuse bouillonnante, source de la Tête de Lion, Saint Floret (63)

La couleur rouge vient de dépôts d'hydroxydes de fer.


La source de la Tête de Lion.

C'est aussi le cas dans le lit de la rivière Allier dans la région des Martres de Veyres, en face des usines d'embouteillage des eaux de Sainte Marguerites, où l'Allier "fait des bulles" (figure 4). Quand ces dégagements se font sur fond sableux, les points de sorties du CO2 ressemblent à des mini-cratères. Il y a également de très nombreux dégagements "secs" de CO2, invisibles, où le sol exhale son CO2. Ces dégagements secs sont seulement visibles en période de très hautes eaux de l'Allier. Quand le sol est émergé, mais humide, on entend un chuintement. Ces eaux contiennent aussi souvent des ions Cl- (qui se sent quand on goûte l'eau) et des traces d'H2S (à l'odeur d'œuf pourri caractéristique).

Figure 4. Émanation de CO2 dans la rivière Allier en période de hautes eaux, Les Martres de Veyre (63)

Émanation de CO2 dans la rivière Allier en période de hautes eaux, Les Martres de Veyre (63)

À gauche, vue générale ; à droite, vue de détail du rectangle noir. On y devine bien les remous dus aux bulles de CO2. Lors des périodes de basses eaux de l'Allier, ce dégagement de CO2 peut passer totalement inaperçu.



Figure 6. Mini-cratères par où s'échappe du CO2, fond sableux de l'Allier, Les Martres de Veyre (63)

Mini-cratères par où s'échappe du CO2, fond sableux de l'Allier, Les Martres de Veyre (63)

Les cratères de ce type, sont vraisemblablement les seuls "cratères actifs" d'Auvergne !


Ce CO2, dans les grottes du Cornadore (Saint Nectaire, 63) ainsi qu'à Royat (63) et à Neyrac les Bains (07) peut s'accumuler dans les points bas de cavités, où il stagne. Il peut être mis en évidence en éteignant une bougie, en faisant flotter des bulles de savon… À Royat et à Neyrac, ces cavités à CO2 sont appelées «  grotte du chien  ».

Une bougie pour mettre en évidence la présence de CO2 aux grottes du Cornadore.

Des bulles de savon pour mettre en évidence la présence de CO2 aux grottes du Cornadore.

Ce CO2 (ainsi que le Cl-, l'H2, etc) pourrait venir du manteau, ou bien de la croûte, par exemple par réaction d'un carbonate avec un magma. Si certaines sources sont en Limagne, pays de marnes et calcaires, la majorité de ces sources est située sur le socle hercynien, ce qui exclut l'intervention de calcaire sédimentaire. Il n'est cependant pas exclu que des niveaux de marbres existent en profondeur dans le socle. Mais le δ13C de ce CO2 est de –5, ce qui est caractéristique du CO2 mantellique. D'autre part, associé à ce CO2, ces dégagements gazeux contiennent des traces d'hélium. Et le δ3He est lui aussi caractéristique du manteau.

L'absence de niveau de sulfures et de chlorures dans le socle hercynien suggère fortement que l'H2S et les ions Cl- sont eux aussi d'origine mantellique.

Il s'agit là des manifestations "gazeuses" de la fusion partielle et du dégazage du manteau sous le Massif Central.

L'origine des cations Ca2+, Mg2+, Fe2+ ,Na+

Ces eaux sont très riches en cations divers, en particulier en Ca2+, Mg2+, Fe2+, Na+

Ces ions proviennent de l'altération des silicates des granites et autres roches crustales par les eaux acides chargées de CO2.

Par exemple, l'altération de l'anorthite (plagioclase calcique) par cette eau chargée de CO2 produit une argile (kaolinite) qui doit tapisser les fissures dans lesquelles circule l'eau, et des ions HCO3 - et Ca2+.

2 CaAl2Si2O8 (anorthite) + 6 H2O + 4 CO2 <--> Si4O10Al4(OH)8 (kaolinite) + 4 HCO3 - + 2 Ca2+

L'altération de l'albite NaAlSi3O8 libère des ions Na+. L'altération de la biotite K(Mg-Fe)3AlSi3O10(OH)2 libère des ions Mg2+ et Fe2+.

Des études des proportions des différents ions permettent d'approcher la température à laquelle les eaux se sont équilibrées avec les roches traversées. Sous les volcans Mont-Dore/Sancy au pied desquels se trouve Saint-Nectaire, on a pu montrer que ces eaux s'étaient équilibrées avec l'encaissant à plusieurs kilomètres de profondeur et à une température de plusieurs centaines de degrés Celsius.

Certaines de ces sources sont particulièrement riches en ions Na+ et Cl-. À leur niveau pousse une flore halophile, avec par exemple du triglochin maritime ( Triglochin maritima ).

L'origine des concrétions carbonatées et ferriques

Ces eaux sont chargées, entre autres, d'ions Fe2+, d'ions Ca2+, de CO2 dissous et d'ions HCO3 -.

À leur sortie ces eaux se dégazent, perdent une partie de leur CO2, ce qui fait précipiter du CaCO3.

2HCO3 - + Ca2+ ↔ CaCO3 (qui précipite) + H2O + CO2 (qui dégaze)

Il y a donc très souvent dépôt de concrétions calcaires (travertin) au points de sorties de ces sources.

Et bien que généralement situées en pays granitique, ces sources sont un véritable musée de concrétions calcaires. Et comme ces eaux sont beaucoup plus chargées en Ca2+ et HCO3 - que la plupart des eaux de karst, les concrétions de ces sources croissent souvent 10 à 100 fois plus vite que les classiques concrétions karstiques des grottes calcaires.

Au point d'émergence des sources, les ions Fe2+ peuvent s'oxyder en Fe3+ et donner des précipités d'hydroxydes ferriques [Fe(OH)3].

Figure 7. Traînées rouges riches en Fe3+ sur un dépôt calcaire, grottes du Cornadore, Saint Nectaire (63)

Traînées rouges riches en Fe3+ sur un dépôt calcaire, grottes du Cornadore, Saint Nectaire (63)

Ces traînées d'hydroxydes ferriques proviennent de l'oxydation des ions Fe2+ dissous dans les eaux par l'O2 de l'atmosphère. Cette oxydation est, dans la majorité des cas, d'origine bactérienne (voir l'article chimiolithotrophie). Ici, les concrétions ferriques sont minoritaires par rapport aux concrétions calcaires. Dans d'autres sites, cela peut être l'inverse (par exemple, des concrétions ferriques aux Açores).


L'action de la vie sur la précipitation des hydroxydes ferriques et des carbonates

La présence de bactéries ferroxydantes favorise et accélère la précipitation des hydroxydes ferriques.

La vie peut agir de deux façons sur la précipitation des carbonates.

Une manière indirecte. Les bactéries qu'elles soient autotrophes ou hétérotrophes vis à vis du carbone forment sur toute surface une mince pellicule vivante appelée biofilm. Cette pellicule de bactéries recouvre les surfaces rocheuses de molécules organiques. Molécules organiques et bactéries servent de points de nucléation pour la précipitation du carbonate de calcium. Ainsi, les biofilms accélèrent le concrétionnement au niveau de la sortie des eaux minérales.

Une façon directe. Des être autotrophes vis à vis du carbone (phototrophes ou chimiolitotrophes), que ce soient des bactéries, des algues, des mousses… utilisent du CO2 pour faire leur synthèse organique. Ce faisant, elles favorisent la précipitation des carbonates en favorisant la réaction 2 HCO3 - + Ca2+ → CaCO3 + H2O + CO2 (consommé). Cette action de la vie sera détaillée dans le deuxième article. Il y a donc continuité génétique et morphologique entre les travertins des sources karstiques et/ou hydrothermales et les stromatolithes "classiques" des lacs et des mers.

Diaporama des concrétions carbonatées des sources thermominérales d'Auvergne

Voici un rapide (et non exhaustif) diaporama commenté illustrant les principaux types de concrétions carbonatées rencontrées au niveau des sources thermominérales d'Auvergne. Ces concrétions sont parfois fragiles, et sont toujours des curiosités naturelles à protéger, à photographier, mais en aucun cas à prélever.

Figure 8. Brins d'herbe en cours de pétrification par un ruissellement naturel le long d'un talus, Les Martres de Veyre (63)

Brins d'herbe en cours de pétrification par un ruissellement naturel le long d'un talus, Les Martres de Veyre (63)

Dans les grottes du Cornadore, ces eaux chargées de Ca2+ et HCO3 - sont dirigées vers des "escaliers" ; au lieu de pétrifier des brins d'herbe, elles pétrifient les objets qui y on été déposés (figure 2).



Figure 10. Encroûtements obliques et horizontaux, bords de l'Allier, les Martres de Veyre (63)

Encroûtements obliques et horizontaux, bords de l'Allier, les Martres de Veyre (63)

Figure 11. Mini-gours dans les grottes du Cornadore, Saint Nectaire (63)

Mini-gours dans les grottes du Cornadore, Saint Nectaire (63)

Dans les zones où l'écoulement de l'eau se fait de manière continue et uni-directionnelle, se forment de petites dépressions limitées par un "barrage" : les gours. À partir d'une surface irrégulière, les dépôts se forment préférentiellement au niveau de micro-obstacles, car l'eau y coule plus vite et s'y dégaze plus vite qu'ailleurs. Ces zones sont ainsi progressivement ré-haussées, pouvant former derrières elles des mini-lacs. Ce phénomène peut avoir lieu dans les régions karstiques, et donner lieu à des gours de grandes tailles dans des rivières ou en cascades.


Figure 12. Gros plan sur des mini-gours dans les grottes du Cornadore, Saint Nectaire (63)

Gros plan sur des mini-gours dans les grottes du Cornadore, Saint Nectaire (63)



Figure 15. Stalactites, grottes du Cornadore, Saint Nectaire (63)

Stalactites, grottes du Cornadore, Saint Nectaire (63)

Figure 16. Stalagmites, grottes du Cornadore, Saint Nectaire (63)

Stalagmites, grottes du Cornadore, Saint Nectaire (63)

Figure 17. Perles des cavernes, ou pisolithes, source de Réotier (05)

Perles des cavernes, ou pisolithes, source de Réotier (05)

Dans les flaques où tombent des gouttes d'eau, se forment de petites concrétions centimétriques formées de couches successives de carbonate de calcium : les pisolithes (également appelées « perles des cavernes »). Initialement, les dépôts se forment autour de petits débris jouant le rôle de points de nucléation (grains de sable…). Les mouvements entretenus par la chute des gouttes d'eau, assurent un dépôt régulier autour des grains de sable, ce qui donne aux pisolites une forme sphérique. Chaque perle a un diamètre compris entre 1 et 10 mm. Cette photo aurait pu être prise aux grottes du Cornadore où de telles perles existent en abondance. Les perles photographiées ici viennent de la source de Réotier (05).


Figure 18. Perles des cavernes en formation, source de Réotier (05)

Perles des cavernes en formation, source de Réotier (05)

Les chutes répétées d'une goutte d'eau dans une flaque contenant des petites perles les fait tourner et grossir au cours du temps. Notez le rebond de la surface dû à la chute de la goutte et l'effet de loupe provoqué par l'ondulation de la surface de la flaque.


Aux grottes du Cornadore, nous avons pu réaliser un petit film montrant cette formation de perles des cavernes. Les perles des cavernes sont des concrétions somme toute assez rares, et peu de grottes aménagées pour la visite touristique en montrent en formation. C'est une des curiosité les plus remarquables des grottes du Cornadore.

Perles des cavernes (pisolithes) aux grottes du Cornadore.

Figure 19. Croûtes de calcite flottant et formant de mini-radeaux à la surface de la source de Saurier-4 (63)

Croûtes de calcite flottant et formant de mini-radeaux à la surface de la source de Saurier-4 (63)

Dans cette mini-grotte où stagnent des eaux riches en Ca2+ et HCO3 -, le dégazage du CO2 superficiel entraîne la formation d'un fin film calcitique qui flotte à la surface de l'eau. Ces croûtes de calcite ne sont pas sans rappeler la fleur de sel, mini-radeaux de sel qui se forment (par évaporation) et flottent à la surface des marais salants (image 11 du site Œillet de Guérande).


Figure 20. Gros plan sur les croûtes de calcite flottant et formant des mini-radeaux à la surface de la source de Saurier-4 (63)

Gros plan sur les croûtes de calcite flottant et formant des mini-radeaux à la surface de la source de Saurier-4 (63)

On trouve aussi de telles croûtes dans les grottes du Cornadore ; mais elles n'ont pas la "chance" d'être visibles à la lumière du jour.


Figure 21. Croûtes de calcite ramassées à l'aide d'un bâton, source de Saurier-4 (63)

Croûtes de calcite ramassées à l'aide d'un bâton, source de Saurier-4 (63)

Figure 22. Concrétions d'aragonite, grottes du Cornadore, Saint Nectaire (63)

Concrétions d'aragonite, grottes du Cornadore, Saint Nectaire (63)

Le carbonate de calcium qui précipite normalement aux conditions de pression et de température d'une grotte (1 atmosphère, 20°C) est la calcite. Si les eaux sont riches en ions Mg2+, il peut cristalliser la forme "aragonite", normalement stable à haute pression, et métastable aux conditions de surface.


Figure 23. Concrétions d'aragonite, grottes du Cornadore, Saint Nectaire (63)

Concrétions d'aragonite, grottes du Cornadore, Saint Nectaire (63)

Figure 24. Une paroi sur laquelle ont poussé des concrétions d'aragonite, grottes du Cornadore, Saint Nectaire (63)

Une paroi sur laquelle ont poussé des concrétions d'aragonite, grottes du Cornadore, Saint Nectaire (63)

Moins de 10% des grottes aménagées pour la visite touristique contiennent des concrétions aragonitiques : un autre intérêt des grottes du Cornadore.


Figure 25. Travertin "stromatolithomorphe", bord de l'Allier, Les Martres de Veyre (63)

Travertin "stromatolithomorphe", bord de l'Allier, Les Martres de Veyre (63)

Cette image est destinée à illustrer la continuité morphologique et génétique entre travertins et stromatolithes classiques.


Localisation des lieux étudiés

Les 3 cartes suivantes permettent de localiser les 4 sites auvergnats cités ici : Saint-Nectaire et ses grottes du Cornadore, Saurier, La Tête de Lion et les Martres de Veyre. Nous ne localisons pas (sur plan précis) les Grottes du Cornadore, fléchées et situées au centre de Saint Nectaire.