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Le “phototropisme” de stalactites éclairées, la preuve de l'action de la photosynthèse sur la précipitation des carbonates

Pierre Thomas

Laboratoire de Géologie de Lyon / ENS Lyon

Olivier Dequincey

ENS Lyon / DGESCO

23/03/2020

Résumé

Équilibre des carbonates et photosynthèse pour expliquer la croissance orientée vers la lumière de stalactites et stalagmites en abris sous roche ou sur falaises calcaires. Exemples dans la vallée du Wadi Darbat et près d'Hasik (Oman).


Figure 1. Stalactites penchées croissant en direction de la lumière au plafond d'un abri sous roche s'ouvrant à la base d'une paroi de la vallée du Wadi Darbat (province du Dhofar, Oman)

Stalactites penchées croissant en direction de la lumière au plafond d'un abri sous roche s'ouvrant à la base d'une paroi de la vallée du Wadi Darbat (province du Dhofar, Oman)

Sur cette photo, le pendage des stalactites s'échelonne de 10 à 30°. Au deuxième plan, on remarque des “draperies” quasi-verticales.

Localisation des stalactites de la vallée du Wadi Darbat (Oman).


Figure 2. Vue globale de l'abri sous roche où on trouve ces stalactites penchées se dirigeant vers la “sortie”, c'est-à-dire vers la lumière, vallée du Wadi Darbat (Oman)

Vue globale de l'abri sous roche où on trouve ces stalactites penchées se dirigeant vers la “sortie”, c'est-à-dire vers la lumière, vallée du Wadi Darbat (Oman)

À droite, on voit un arbre qui a poussé lui aussi dans la direction de la lumière. Cette croissance des plantes orientée par la lumière s'appelle le phototropisme. Par abus de langage, j'ai aussi appelé “phototropisme” cette croissance des stalactites orientée vers la lumière.


Nous avons vu la semaine dernière les terrasses de travertins déposés au débouché de la vallée du Wadi Darbat (province du Dhofar, Oman), ainsi que leurs contextes géologique et climatique de formation (cf. Sculptures et décors en travertin, et gisements d'Oman et d'Italie). Cinq kilomètres en amont de ces terrasses, le Wadi Darbat coule dans une vallée bordée de parois calcaires (ou de conglomérats calcaires), parois souvent creusées d'abris sous roche. Au plafond de certains de ces abris sous roche pendent des stalactites. Mais, au lieu d'être verticales comme les stalactites “normales”, celles-ci sont majoritairement penchées d'environ 20 à 50°, toutes dirigées vers l'entrée de l'abri sous roche, c'est-à-dire vers la lumière. Quelle peut être l'origine de cette inclinaison inhabituelle ?

Ces abris sous roche sont fermés et ne communiquent pas avec des grottes ou des galeries, et la possibilité de courants d'air tous parallèles sortant de la paroi, au lieu de la longer comme le ferait un vent parcourant la vallée, est peu probable. Ce ne doit pas être un courant d'air qui a dévié les gouttes d'eau et orienté la croissance des stalactites.

Quelques racines d'arbre percent le plafond et troncs (et branches) d'arbustes poussent sur le haut de la paroi ou pendent depuis le bord de l'abri sous roches. Les racines sont relativement verticales, les branches sont inclinées dans tous les sens. Il ne semble pas que ce soit ces végétaux qui aient guidé la progression des eaux calcaires.

Rappelons que les stalactites sont dues à la précipitation de CaCO3 quand une eau chargée de Ca2+ et d'HCO3 perd du CO2 en arrivant au plafond d'une grotte ou d'un abri sous roche, suivant la célébrissime équation de l'équilibre des carbonates : Ca2+ + 2 HCO3 → CaCO3 + H2O + CO2.

Ce départ de CO2 peut être “spontané”. En effet, les eaux du sol sont riches en CO2 (CO2 dû à la respiration des organismes du sol) et dissolvent le calcaire qu'elles traversent (déplacement de l'équilibre vers la gauche). En arrivant dans l'atmosphère de la grotte ou du dehors, bien moins riche en CO2 que les eaux du sous-sol, du CO2 se dégage, l'équilibre est déplacé vers la droite et du CaCO3 se dépose et forme petit à petit une stalactite.

Si des bactéries sont présentes sur la stalactite, et si les eaux sortant à l'air libre sont sursaturées en CaCO3, des composés membranaires comme les glycoprotéines servent de germes de nucléation, et favorisent/accélèrent la précipitation du CaCO3. Mais une précipitation purement physico-chimique, ou favorisée par un voile bactérien tapissant les stalactites, engendrerait des stalactites verticales, et non pas dirigées vers la lumière.

Cette croissance vers la lumière fait fortement penser à l'action de la photosynthèse. Les êtres photosynthétiques, durant le jour, absorbent du CO2, ce qui déplace l'équilibre des carbonates vers la droite (précipitation de calcaire). C'est un voile d'unicellulaires photosynthétiques (souvent de cyanobactéries) qui est à l'origine des stromatolithes (cf. Les stromatolithes), mais également Les stromatolithes du lac Thetis près de Cervantes, Australie occidentale, ou encore Stromatolithes vivant dans des ruisseaux du massif du Jura). Ce sont des mousses et des cyanobactéries qui sont à l'origine des “tufs” des tuffières, (cf., par exemple, Les barrages de travertin, les gours (lacs) en escaliers et les coulées (escaliers) de "tuf" des ruisseaux du Jura). On peut alors proposer qu'il y ait un voile de cyanobactéries sur les stalactites, avec des bactéries plus nombreuses et plus actives du côté de la lumière. Dans ces abris sous roche, la précipitation de carbonate est donc très favorisée du côté extérieur, et la croissance de la stalactite devient dissymétrique, orientée. On a là un dispositif qui s'apparente macroscopiquement au phototropisme positif qui fait croitre une plante en direction de la direction de l'éclairement. Le terme de “phototropisme” serait impropre s'il n'était pas mis “entre guillemets”, car les mécanisme mis en jeux sont bien différents ; il s'agit tout au plus d'une convergence morphologique.

Cette origine du pendage des stalactites n'est proposée ici qu'à titre d'hypothèse vraisemblable ; je n'ai pas fait de prélèvement pour confirmer (ou infirmer) la présence de cyanobactéries ; je n'ai jamais discuté de cet affleurement (ou d'affleurements semblables) avec un spécialiste des bactéries et des carbonates… Le pendage massif de stalactites massives de dimension métrique n'a rien à voir avec les excentriques où il s'agit de concrétions de petites tailles, orientées par les phénomènes de croissance cristalline et de capillarité.

Si certains lecteurs connaissent des affleurements similaires corroborant cette explication (ou au contraire la démentant), d'autres explications possibles…, photographies et explications seront les bienvenues.

Mais cette hypothèse, au moins vraisemblable à défaut d'être garantie à 100 %, est un excellent moyen de montrer visuellement que la photosynthèse participe à la précipitation des carbonates. Dans les travertins, sur les stromatolithes…, les êtres chlorophylliens sont certes présents, mais comment prouver que ce sont eux qui induisent la précipitation des carbonates et qu'ils ne croissent pas là de façon opportuniste ? Avec une croissance orientée vers la lumière, ça se voit !

Nous allons vous monter 12 autres photographies prises dans cet abri sous roche (ou un abri voisin), et 6 photographies de stalactites (parfois inclinées) pendant sur de hautes falaises situées à une centaine de kilomètres plus à l'Est.


Figure 4. Zoom arrière montrant sur la même image les stalactites des figures 1 et 3, vallée du Wadi Darbat (Oman)

Zoom arrière montrant sur la même image les stalactites des figures 1 et 3, vallée du Wadi Darbat (Oman)

On note aussi des draperies et stalactites verticales. Pourquoi certaines sont-elles verticales et d'autre non ? On peut noter qu'il semble que les spéléothèmes verticaux sont plutôt ocres, alors que les stalactites obliques sont plus grises (plus de cyanobactéries en surface). Question de débit d'eau, de vitesse de l'écoulement, de fréquences des écoulements… ?


Figure 5. Autre vue de stalactites penchées, vallée du Wadi Darbat (Oman)

Autre vue de stalactites penchées, vallée du Wadi Darbat (Oman)



Figure 11. Gros ensemble de stalagmites avec des cassures (juste au milieu) permettant d'en voir la structure interne, Wadi Darbat (Oman)

Gros ensemble de stalagmites avec des cassures (juste au milieu) permettant d'en voir la structure interne, Wadi Darbat (Oman)

La succession des lamines correspond-elle aux alternances saisons sèches – moussons ? La convergence morphologique de cette structure interne avec celle des stromatolithes est saisissante. Il serait intéressant de pouvoir déterminer si les lamines sont plus épaisses du côté de la lumière que du côté de la paroi de l'abri sous roche, bien moins éclairé.


Figure 12. Gros ensemble de stalagmites avec des cassures (juste au milieu) permettant d'en voir la structure interne, Wadi Darbat (Oman)

Gros ensemble de stalagmites avec des cassures (juste au milieu) permettant d'en voir la structure interne, Wadi Darbat (Oman)

La succession des lamines correspond-elle aux alternances saisons sèches – moussons ? La convergence morphologique de cette structure interne avec celle des stromatolithes est saisissante. Il serait intéressant de pouvoir déterminer si les lamines sont plus épaisses du côté de la lumière que du côté de la paroi de l'abri sous roche, bien moins éclairé.




Figure 15. Localisation des abris sous roche à stalactites penchées dans la vallée du Wadi Darbat, Oman

Localisation des abris sous roche à stalactites penchées dans la vallée du Wadi Darbat, Oman

On voit dans le quart inférieur gauche les sites de travertins de la semaine dernière (cf. Sculptures et décors en travertin, et gisements d'Oman et d'Italie).

Localisation par fichier kmz des abris sous roche à stalactites penchées de la vallée du Wadi Darbat (Oman).


À une centaine de kilomètres à l'Est du Wadi Darbat, près de la ville d'Hasik, la côte est bordée de falaises où alternent calcaires et conglomérats calcaires. De très nombreuses stalactites pendent depuis la base des niveaux perméables. Quand on peut voir ces stalactites “de profils”, on s'aperçoit que certains sont obliques, et dirigés vers la lumière.

Figure 16. Falaises avec stalactites dans les environs d'Hasik, Oman

Falaises avec stalactites dans les environs d'Hasik, Oman

Ces falaises mesurent une vingtaine de mètres de hauteur.

Localisation par fichier kmz des falaises à stalactites des environs d'Hasik (Oman).


Figure 17. Vue d'ensemble sur les stalactites pendant le long des falaises d'Hasik, Oman

Vue d'ensemble sur les stalactites pendant le long des falaises d'Hasik, Oman

Figure 18. Vue de détail sur les stalactites pendant le long des falaises d'Hasik, Oman

Vue de détail sur les stalactites pendant le long des falaises d'Hasik, Oman


Figure 20. Détail des travertins, stalactites et autres concrétions obliques sur les falaises d'Hasik Park (Oman)

Détail des travertins, stalactites et autres concrétions obliques sur les falaises d'Hasik Park (Oman)

On voit bien que les stalactites penchées s'écartent de la paroi, vers… la lumière.


Figure 21. Détail des travertins, de stalactites et autres concrétions obliques sur les falaise d'Hasik Park (Oman)

Détail des travertins, de stalactites et autres concrétions obliques sur les falaise d'Hasik Park (Oman)

On voit bien que les stalactites penchées s'écartent de la paroi, vers… la lumière.


Figure 22. Stalactites pendant des falaises calcaires de Bonifacio

Stalactites pendant des falaises calcaires de Bonifacio

Nul besoin d'aller jusqu'en Oman pour voir des falaises à stalactites. En y regardant de plus près, on décèlera sans doute çà et là, dans ces stalactites corses, la manifestation d'un certain “phototropisme”.


Figure 23. Localisation d'Hasiz Park, quelques kilomètres au Nord d'Hasik (Oman)

Localisation d'Hasiz Park, quelques kilomètres au Nord d'Hasik (Oman)

Localisation par fichier kmz des falaises à stalactites des environs d'Hasik (Oman).



Toutes les photographies “omanaises” ont été prises en octobre-novembre 2016 lors d'une excursion organisée par le CBGA sous la direction scientifique d'Aymon Baud (Université de Lausanne).

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