l`exemple de l`Aven d`Orgnac (Ardèche)

C. R. Acad. Sci. Paris, Sciences de la Terre et des planètes / Earth and Planetary Sciences 333 (2001) 685–692
 2001 Académie des sciences / Éditions scientifiques et médicales Elsevier SAS. Tous droits réservés
S1251-8050(01)01682-2/FLA
Géophysique externe, climat et environnement / External Geophysics, Climate and Environment
Le gaz carbonique dans la dynamique de l’atmosphère
des cavités karstiques : l’exemple de l’Aven d’Orgnac
(Ardèche)
François Bourgesa,∗ , Alain Manginb, Dominique d’Hulstb
a G.E. Conseil, 30, rue de la République, 09200 Saint-Girons, France
b Laboratoire souterrain du CNRS de Moulis, 09200 Saint-Girons, France
Reçu le 30 juin 2001 ; accepté le 10 septembre 2001
Présenté par Ghislain de Marsily
Abstract – Carbon dioxide in karst cavity atmosphere dynamics: the example of the Aven
d’Orgnac (Ardèche). A survey of CO2 concentrations in the atmosphere of the Aven d’Orgnac
shows that aerodynamic transfer can be a major process in karst system dynamics. The local
meteorological conditions and the geometry of the cavity govern exchanges between the cave
atmosphere and the exterior. Air enriched with biogenic CO2 is transferred through the microfissural
network by diphasic infiltration from soil to caves where it is continuously produced from rock walls.
Analysis of the aerodynamic emptying of confined zones and direct flow measurement give a mean
CO2 production per surface unit of the cave rock wall.  2001 Académie des sciences / Éditions
scientifiques et médicales Elsevier SAS
CO2 / cave / karst / hypogea atmosphere / aerodynamics / confinement / France
Résumé – Le suivi des teneurs en CO2 de l’atmosphère de grotte montre que le transfert
aérodynamique peut être un processus majeur de la dynamique du système karstique.
Les paramètres météorologiques et la géométrie des cavités contrôlent les échanges
entre l’atmosphère souterraine et l’extérieur. L’air enrichi en CO2 biogénique transite en
écoulement diphasique par le réseau microfissural depuis le sol jusque dans la grotte où
il est produit en continu au niveau des parois. L’analyse des vidanges aérodynamiques de
zones confinées et des mesures de débit donnent la production moyenne de CO2 par unité de
surface dans la cavité.  2001 Académie des sciences / Éditions scientifiques et médicales
Elsevier SAS
CO2 / grotte / karst / atmosphère souterraine / aérodynamique / confinement / France
Abridged version
1. Introduction
The carbon cycle is mainly a CO2 cycle and the high
CO2 levels in cave atmospheres, currently 10 to 100 times
the 0.03 % vol. standard at the surface [7], represent direct
evidence of a notable downward carbon transit through
the karst structures. Most of this CO2 is produced by
biological soil activity and is transported by water seeping
through the soils and the network of rock voids [1, 2, 4,
8], but interpretations of the higher CO2 rates refer also to
limestone weathering, oxidation of soil-derived material by
bacteria, or to deep gas diffusion in cavities [9, 10].
∗ Correspondance
et tirés à part.
Adresses e-mail : [email protected] (F. Bourges),
[email protected] (A. Mangin), [email protected] (D. d’Hulst).
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F. Bourges et al. / C. R. Acad. Sci. Paris, Sciences de la Terre et des planètes / Earth and Planetary Sciences 333 (2001) 685–692
Caves are windows into the karstic system; these cavities
and their atmospheres are privileged environments for the
recording of transfer processes. In this paper, we propose
to analyse the underground atmosphere dynamics in the
Aven d’Orgnac using a functional and systemic approach
[5, 6].
2. The physical environment
The Aven d’Orgnac karstic system is hosted in Cretaceous limestones. These cavities contain speleothems of
exceptional quality and diversity and extensive clay karstic
fillings.
Most rainwater and air are transferred downward from
soils through the network of hierarchical karst voids. Large
opened voids (caves and active drains), large fissures, fracture networks (> cm) carry fast infiltration (water and/or
air) but micro-fracture networks, which are penetrative
structures (< mm), carry diphasic (water plus air) delayed
infiltration [6].
3. The nature of hypogeal atmosphere and the
CO2 origin
The 2 to 5 % CO2 vol. recorded in some French caves [7]
is much higher than the 0.5 to 1.5 % CO2 vol. of gas
measurements in limestone soils [2, 3]. The high CO2 cave
atmosphere (around 3.5 % CO2 vol.) in the non-visited
deep parts of the Aven d’Orgnac was analysed.
1. There is no new component added to the cave atmosphere (except traces of methane in some samples) but
a mole-to-mole replacement between CO2 and O2 .
2. The air of the cave is saturated, or nearly saturated, with
water vapour.
3. The 13 C isotopic rates (δ 13 C ranging between −19.5 ❤
and −19.9 ❤) are consistent with a biogenic origin.
4. Helium isotopes show a He atmospheric origin, excluding deep seated gas additions:
(3 He/4 He)sample /(3 He/4 He)air = 0.997 ± 0.011
[4 He]sample/[4 He]air = 0.92 ± 0.10
It is highly probable that this CO2 -rich cave atmosphere
has solely a biogenic soil origin. Current surveys on the gas
in Orgnac soils show that 3 % vol. CO2 is not exceptional.
Nevertheless, CO2 data recorded in the cave in space and
time series are much more complex than the seasonal pCO2
fluctuations in the soils.
4. Space data
CO2 level profiles (figure 1) show stair-step patterns
with strong seasonal shifts (high summer and low winter
levels). Profile evolutions show a CO2 invasion in spring
from the inner parts of the cave toward the entrance, a
stability of the high levels in summer, and a progressive
emptying in autumn from the entrance toward the innermost parts. The evolution of CO2 distribution in cavities is
characterised by compartment behaviour and is related to
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a geometric control of caves aerodynamics as most of the
compartment limits are superimposed over morphological
singularities.
5. Time data
The CO2 time series displays a seasonal effect (figure 2)
and contrasting evolutions: mostly persistently high rates at
the ‘Canyon’ station and a great variability at the ‘Balcon’
station.
Meteorological parameters govern most of the evolution
in the composition of the underground atmosphere. Steady
high pressures give rise to high CO2 values identifying
confined conditions. Drops in pressure lower the CO2
levels by favouring an opening of the system. CO2 rates
are generally positively correlated with the barometric
pressure in the long term, except in the exchange zone
where inverse correlation occurs. A short-term inverse
pressure/CO2 correlation is also evident when CO2 levels
are very low and is interpreted as a pressure effect on CO2
production.
Pressure effects produce large-scale dilution and evacuation processes by air volume changes. Pressure can also
modulate the continuous production of CO2 through fine
fractures.
Correlation between outdoor temperatures and cave
CO2 rates is positive and well defined in the very long
term. There is a strong seasonal effect, with high CO2 in
the summer period and a cave atmosphere that is relatively
CO2 -depleted in winter.
There are periodic events (1 to 6 h) in the CO2 time
series which cannot be related to any surface climatic
parameter activity and are interpreted as the effects of
large-scale air movements of stable convection cells in the
cave rooms.
6. The Aven d’Orgnac functioning model
In summer (mid-May to mid-November), when the
mean surface temperature is above 13 ◦ C, a thermal inversion situation stabilises the system, thus avoiding largescale convection. The cavity atmosphere tends to reach
equilibrium with the CO2 and humidity levels present in
the rock microfissural network. Confinement conditions
are prominent but strong variations in atmospheric pressure
or major water transfer can raise the rate of air exchanges.
Diphasic flux through the microfissural network is the main
engine of exchange.
In winter, when hypogeal temperatures exceed mean
surface thermal conditions, air enters from outside by the
main openings and is released through large fissures. The
exchange engine is thermal convection. Cavities ventilation
is more efficient and dilution is responsible for low CO2
levels.
7. Quantification of underground CO2
production
The ‘Canyon zone’ is limited by a horizontal aerodynamic front with a very steep CO2 gradient. It is a con-
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fined volume that can be considered at this scale as a
closed system. The 1997 wintertime series shows an exceptional succession of CO2 release and filling episodes
(figure 3). Release events are short (about 1 or 2 h):
the aerodynamic front breaks suddenly and allows natural ventilation to sweep away and dilute the CO2 -rich
canyon air. When the front is reinstalled, a new filling
episode begins, with constant rising up of CO2 rates to a
level of equilibrium (3 %). Filling episodes last about a
week.
From successive and comparable filling rates, we can
state that CO2 production in the canyon is nearly constant.
The rock microfissural network is the most probable source
of this CO2 enriched air. From estimates for the potentially
productive rock wall surfaces, the volume of the canyon
zone, and the filling time, we can calculate a CO2 flow
per surface unit: 0.004 L·s−1 , and CO2 production for the
whole cavity: 1.9 t of CO2 per 24 h. These values have been
confirmed by direct measurement of cavity CO2 release at
the natural openings: CO2 expelled daily ranges from 0.7
to 4.5 t at different periods.
We can also estimate the natural ventilation rates (introduction of outdoor air) in the main volumes of the cavities
where summer equilibrium values do not exceed 2.5 % vol.
of CO2 . 130 L·s−1 of 4 % CO2 air produced from the rock
wall and 78 L·s−1 of surface atmosphere air injected into
the cave volume via large fissure circulation would mix to
reach the 2.5 % vol. CO2 . With a mean 0.1 m·s−1 air speed
in large fissures, the integrated surface needed for natural
ventilation would be 0.78 m2 . This could explain the sensitivity of underground environment to surface modifications.
1. Introduction
nelle, l’information est extraite des chroniques par les
analyses corrélatoires et spectrales [5, 6].
Le cycle du carbone est principalement un cycle
du gaz carbonique et les teneurs élevées en CO2 dans
l’atmosphère des grottes (10 à 100 fois les 0,03 % vol.
de la surface) [7] et, plus généralement, dans la zone
non saturée des aquifères karstiques représentent une
évidence directe d’importants transferts de carbone au
travers de la structure karstique. La majeure partie de
ce CO2 est réputée produite par l’activité biologique
des sols et transférée vers le bas par l’infiltration,
puis dans le réseau de vides de la roche [1, 2, 4,
8]. Des pCO2 élevés en grotte sont aussi attribués à
des processus d’altération du calcaire, d’oxydation de
matière organique par des bactéries, ou à des arrivées
de gaz profonds [9, 10].
Les grottes sont des regards sur le système karstique. Ces cavités et leurs atmosphères se présentent donc comme des sites privilégiés d’observation. À partir des résultats d’un suivi sur quatre ans
des paramètres environnementaux à l’Aven d’Orgnac,
nous tentons d’identifier les facteurs gouvernant les
échanges naturels de CO2 et de quantifier leurs effets. L’approche utilisée est systémique et fonction-
8. Conclusion and discussion
Most of the evolution in CO2 levels in the cave atmosphere is under aerodynamic control. Ventilation activity and efficiency are driven by meteorological parameters.
Calculations and direct measurements are consistent
with important CO2 production from the cave toward the
outside atmosphere. The CO2 -rich air saturated with water
vapour originates in the soils and is transferred into the
microfissural network by diphasic seeping to the rock
wall. CO2 production is nearly constant in the cave and
constant high CO2 levels can be permanent if confinement
is sufficient.
The enriched air drains out to surface along cavities
and large fissures. Due to surface tensions, water tends to
continue its way downward.
Palaeoenvironmental interpretations from speleothem
analysis are often based on concretion activity related to
outdoor climatic constraints. Because concretion activity
is controlled not only by water fluxes but also by CO2
gradient at the air/rock interface, it is necessary to point
out that highly probable natural underground modifications
to the geometry of the cave or to its relationship with
the surface system could also have affected concretion
activity.
2. Le milieu physique
Le système de l’Aven d’Orgnac est le témoin
d’un réseau karstique creusé dans les calcaires du
Crétacé de la bordure est du Massif central. Cet
ensemble de cavités est remarquable par les volumes
des vides, l’important remplissage argileux, mais
surtout par l’exceptionnelle qualité et diversité du
concrétionnement.
Le calcaire karstifié constitue le milieu physique
des transferts de matière. La roche calcaire présente
une très faible perméabilité, mais les transferts d’eau
et de gaz s’effectuent aussi au travers du réseau hiérarchisé des vides karstiques. Les grands vides ouverts
(grottes, drains actifs), grandes fissures et réseaux de
fractures (> cm) conduisent l’infiltration rapide, alors
que le réseau pénétratif de microfractures (< mm) est
emprunté par l’infiltration lente. Dans ce réseau microfissural, le transfert peut s’effectuer en écoulement
diphasique (air + eau), alors que dans les vides plus
larges l’air et l’eau circulent indépendamment [6].
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3. Composition de l’atmosphère
souterraine et origine du CO2
Les 2 à 5 % vol. CO2 de certaines grottes françaises
de l’Ardèche et du Quercy [7] sont largement supérieurs aux 0,5 à 1,5 % référencés pour les sols calcaires [2, 3], posant ainsi la question de l’origine de
ce CO2 . À l’Aven d’Orgnac, nous avons analysé des
échantillons d’atmosphère riche en CO2 (autour de
3,5 % vol.) provenant des parties profondes et non accessibles au public.
1. Par rapport à l’air extérieur, il n’y a aucun composant nouveau dans l’atmosphère de la grotte, sauf des
traces de méthane dans quelques échantillons. La teneur élevée en CO2 ne correspond pas à une addition,
mais à un remplacement mole à mole de l’O2 par le
CO2 (analyses de gaz total BRGM).
2. L’air est saturé ou très proche de la saturation en
vapeur d’eau : teneur à 100 % d’humidité, quasiment
stable pendant huit mois consécutifs, mesurée par un
hygromètre à miroir refroidi de début janvier à fin septembre 1997. De mi-mars à début mai 1997, l’humidité relative s’est abaissée épisodiquement, restant cependant supérieure à 98,5 %.
3. Le δ 13 C du CO2 de l’atmosphère souterraine
(−19,7 ❤ pour un échantillon à 3,04 % vol. CO2 et
−19,5 ❤ ; −19,7 ❤ ; −19,9 ❤ pour une teneur de
3,5 % vol. CO2 ) est cohérent avec une origine biogénique (δ 13 C = −21 ❤) et très éloigné des δ 13 C
= −6 ❤ du CO2 profond, excluant une origine par
dissolution du calcaire (analyses : C. Emblanch, laboratoire d’hydrogéologie de l’université d’Avignon).
4. Les isotopes de l’hélium indiquent une origine atmosphérique excluant des arrivées d’hélium profond :
(3 He/4 He)échantillon/(3 He/4 He)air = 0,997 ± 0,011
[4 He]échantillon/[4 He]air = 0,92 ± 0,10
(analyses : B. Marty, laboratoire de géochimie isotopique de Nancy).
Le CO2 de l’atmosphère souterraine est d’origine
biogénique, avec une source probable dans les sols.
Des mesures en cours dans le sol à Orgnac montrent
que des teneurs en CO2 de 3 % vol. ne sont pas
exceptionnelles et peuvent être du même ordre ou
supérieures à celles dans l’atmosphère des cavités
sous-jacentes. Cependant, les données spatiales et les
chroniques enregistrées dans l’atmosphère des cavités
montrent une complexité très supérieure à la variation
saisonnière des pCO2 des gaz des sols.
4. Les données spatiales
Les profils de teneurs en CO2 réalisés au détecteur
infrarouge, depuis l’entrée naturelle jusqu’au fond (figure 1), montrent une forme en escalier, qui évolue
688
au cours des saisons. Les teneurs sont nettement plus
élevées l’été que l’hiver. Tout se passe comme si, au
printemps, le CO2 envahissait la cavité à partir du
fond, restait stable en été et se vidangeait progressivement en automne à partir de l’entrée. Ces profils
indiquent un compartimentage de la cavité pour la
distribution du CO2 . Cet effet est relié à un contrôle
géométrique, car la plupart des limites se superposent
à des singularités morphologiques (passages étroits,
changements de niveau topographique). Le confinement et l’ouverture des compartiments sont dépendants de la saison : les conditions de confinement sont
maximales en fin d’été, alors que, l’hiver, l’ouverture
est maximale, avec une influence dominante de l’extérieur.
5. Les données temporelles
Les chroniques enregistrées en deux points de la
cavité au pas du quart d’heure confirment la variation
saisonnière (figure 2) et montrent un comportement
contrasté : au « Canyon », des valeurs élevées et
stables, au « Balcon des salles rouges », des variations
complexes et instables dans le temps, avec une forte
variabilité du signal en amplitude.
Les paramètres météorologiques, pression barométrique et température de surface, contrôlent la plupart
des variations de composition de l’atmosphère souterraine. Des conditions stables de haute pression favorisent un confinement et des teneurs en CO2 élevées. Les chutes de pression augmentent les échanges
d’air avec l’extérieur et abaissent les teneurs. Sur le
long terme, la teneur en CO2 est corrélée positivement avec la pression barométrique, mais la relation
pression/CO2 varie fortement avec la saison et la zone
concernée. En été, au « Canyon », la relation est forte,
directe, et non déphasée, caractérisant le comportement d’une zone confinée ; au « Balcon des salles
rouges », la relation est moins forte et le déphasage
de 48 h entre la cause et l’effet correspond au mécanisme des échanges gazeux. En hiver, la relation s’inverse, enregistrant l’évacuation du CO2 vers l’extérieur et caractérisant une zone d’échange.
À court terme, une corrélation inverse pression–
CO2 apparaît partout en hiver, quand les teneurs en
CO2 sont les plus basses ; aux autres périodes, on peut
l’extraire par filtrage. La relation est instantanée et
implique un transfert d’énergie dans le mécanisme de
cause à effet ; nous l’interprétons comme un effet de
pression sur la production de CO2 : des baisses de
pression favorisent l’extraction d’air riche en CO2 du
réseau microfissural de la roche vers la cavité.
À cause du grand volume des cavités, les variations de la pression barométrique induisent des ventilations aux ouvertures naturelles et génèrent direc-
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(a)
(b)
Figure 1. Profils des teneurs en CO2 dans
l’Aven d’Orgnac, montrant la « vidange » de la
grotte (a), lorsque le régime d’hiver se met en
place, et son « remplissage » au printemps (b). La
zone du canyon est un point singulier et conserve
de hautes teneurs, sauf durant une courte période
d’hiver. Indication des points de mesure sur une
coupe et un plan de l’Aven d’Orgnac (c).
Figure 1. Profiles of CO2 levels in the Aven
d’Orgnac. A gradual ‘emptying’ occurs in winter
conditions (a) and a ‘filling up’ of the cavities at
the onset of summer (b). The canyon zone is an
unusual area that maintains high CO2 levels, except during a short winter period. Measurement
points are plotted on a simplified plan and crosssection of the Aven d’Orgnac (c).
(c)
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Figure 2. Chronique des teneurs en CO2 au « Balcon des salles rouges » et au « Canyon » (mesures en continu aux détecteurs infrarouge Dräger)
avec les températures extérieures. Les données sont enregistrées au pas de 15 min.
Figure 2. The CO2 time series at the ‘Balcon des salles rouges’ and at the ‘Canyon’ (continuous measurement with a Dräger infrared detector)
with surface temperatures. Data are recorded every 15 min.
tement des échanges avec l’extérieur. Ainsi, la pression influence-t-elle la dilution et l’évacuation du
CO2 ; elle module aussi sa production dans la paroi
de grotte.
La teneur en CO2 est bien corrélée à la température
extérieure sur le très long terme : les hautes teneurs en
période chaude et les faibles teneurs en période froide
caractérisent l’effet saisonnier.
Des phénomènes à haute périodicité (1 à 6 h suivant
les zones ou la saison) ne peuvent être reliés à aucun
paramètre climatique extérieur, mais caractérisent le
segment de cavité instrumenté. Ils sont interprétés
comme la marque de mouvements d’air (dont la
teneur en CO2 est hétérogène), en grandes cellules de
convection.
6. Le fonctionnement de la cavité de
l’Aven d’Orgnac
Nous avons identifié chaque année l’alternance de
deux types de régimes de ventilation.
En été (de mi-mai à mi-novembre), les températures moyennes journalières de surface sont au-dessus
de 13 ◦ C, une situation d’inversion thermique stabilise le système évitant les échanges par convection
thermique avec la cavité. L’atmosphère de la cavité
690
s’équilibre avec les niveaux en CO2 et en humidité
du réseau microfissural, déterminant des conditions
dites de confinement, qui traduisent en réalité un régime permanent d’échange, dont le moteur est l’écoulement au travers du réseau microfissural. De fortes
variations météorologiques (effets de pression, précipitations importantes) peuvent cependant augmenter
le taux d’échange d’air avec l’extérieur.
En hiver, lorsque les températures moyennes journalières extérieures passent au-dessous de 11 ◦ C, des
entrées d’air atmosphérique ont lieu par les ouvertures
naturelles des cavités, avec une évacuation par le réseau de grandes fissures. Le moteur de l’échange est
la convection thermique, la ventilation de la cavité
est activée et est responsable des teneurs très basses
en CO2 par dilution. Ces conditions persistent tant
que la température dans l’Aven est plus élevée que
la moyenne des températures de surface. Ce régime
d’échange et de ventilation produit l’ouverture successive des compartiments (identifiés sur les profils de
CO2 ) à l’influence extérieure. Les effets thermiques
du changement de régime de ventilation sont eux aussi
retardés vers le fond de la cavité. Cependant, certaines
zones très confinées (zone du canyon) peuvent ne pas
être affectées.
Au printemps, le confinement s’installe à nouveau
progressivement dans toute la cavité.
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Figure 3. Trois événements successifs de vidange de la zone du « Canyon » (V1, V2, V3) au cours de l’hiver 1997. Les vidanges sont instantanées
et reliées en partie à des variations de la pression barométrique ; les remplissages durent une semaine et se font à vitesse quasi constante.
Figure 3. Three successive emptying events at the ‘Canyon zone’ (V1, V2, V3) during the winter of 1997. The emptying is virtually instantaneous
and related to pressure variation. Filling periods last about one week at a nearly constant rate.
7. Quantification de la production de
CO2 souterrain
Dans le « Canyon », les teneurs en CO2 fluctuent
généralement entre 3 et 4 %. Cette zone est limitée par
un front aérodynamique, avec un très fort gradient de
concentration en CO2 (de 0,5 à 4 % vol. sur 1 à 2 m) ;
elle est très confinée et peut être considérée, à cette
échelle, comme un système fermé.
La chronique de l’hiver 1997 montre une exceptionnelle succession d’épisodes d’évacuation et de
remplissage de CO2 (figure 3). Les événements de
vidange sont courts (1 à 2 h) : le front aérodynamique se brise soudainement et la ventilation naturelle chasse l’air riche en CO2 , qui s’évacue ensuite vers la surface. Lorsque le front se réinstalle,
un nouveau remplissage a lieu ; il dure environ une
semaine, avec une augmentation progressive des niveaux jusqu’à l’équilibre (vers 3 % vol.). À partir des
remplissages successifs et comparables, on peut déduire que la production en CO2 est approximativement constante ; le réseau microfissural de la roche en
est la source la plus probable. À partir des estimations
des surfaces rocheuses potentiellement productrices,
du volume du « Canyon », et du temps de remplissage,
on peut estimer le flux de CO2 par unité de surface
(0,004 L·s−1 ·m−2 , soit 679 g par 24 h et par m2 ) et
déduire une production, pour toute la cavité, de 1,9 t
CO2 par 24 h.
Ces estimations ont été comparées à des mesures
directes de l’évacuation du CO2 aux entrées naturelles
par intégration des vitesses de l’air, des sens d’écoulement et des taux de CO2 . La quantité de CO2 expulsée
quotidiennement varie de 0,7 à 4,5 t pour différentes
périodes, ce qui encadre la valeur déduite précédemment.
Si l’on suppose que les variations spatiales des teneurs sont le résultat d’une dilution par des arrivées
d’air extérieur dans des fissures ouvertes, on peut estimer les taux de ventilation dans chaque partie de la
cavité. Dans la partie non visitée, les équilibres atteignent en été 2,5 % vol. de CO2 ; la production estimée
à partir des surfaces de roches et du flux moyen de
CO2 de 0,004 L·s−1 ·m−2 est de 130 L·s−1 d’air à 4 %.
Un débit d’arrivée de 78 L·s−1 d’air extérieur permet, par dilution, de retrouver les conditions locales
d’équilibre à 2,5 %. Avec une vitesse moyenne de circulation d’air estimée à 0,1 m·s−1 dans les fissures, la
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surface cumulée de fissures ouvertes nécessaire à la
ventilation naturelle serait de 0,78 m2 , ce qui montre
la sensibilité de l’environnement souterrain aux modifications de certaines zones de la surface du karst.
8. Conclusions et discussion
La plupart des variations des teneurs en CO2 de
l’atmosphère des cavités de l’Aven d’Orgnac sont
sous fort contrôle aérodynamique. Nous montrons que
l’activité et l’efficacité des processus d’évacuation
du CO2 sont largement dirigées par les paramètres
météorologiques.
Le calcul et la mesure directe des productions
en CO2 sont cohérents et indiquent qu’une cavité
colmatée, sans écoulement d’eau notable, est un site
d’évacuation de quantités importantes de CO2 vers
l’atmosphère.
L’air riche en CO2 produit dans les sols et saturé
en vapeur d’eau transite en écoulement diphasique
avec l’eau dans le réseau microfissural. À cause des
tensions superficielles, l’eau continue son écoulement
dans le réseau de la roche, alors que l’air est drainé
dans les grandes cavités et s’évacue. La production
est quasiment constante dans les parties profondes
du réseau et permet de maintenir en permanence
des teneurs élevées stables si le confinement est
suffisant.
Les spéléothèmes sont l’un des rares marqueurs
paléoenvironnementaux continentaux. Les caractères
des eaux d’infiltration sont enregistrés dans la concrétion, les datations et l’analyse géochimique permettent de contraindre des processus de la dynamique de
surface. Cependant, ces enregistrements sont hautement lacunaires et les phases d’arrêt et de croissance,
qui sont très souvent reliées à des fluctuations climatiques, sont non seulement contrôlées par les flux
d’eau, mais aussi par les gradients de CO2 à l’interface air–roche. Il est nécessaire de prendre en compte
dans ces analyses les modifications hautement probables au cours du temps de la géométrie des cavités et de leurs relations aérodynamiques avec la surface.
Remerciements. Les auteurs remercient la Diren Rhône-Alpes, représentée par Françoise Gauquelin, pour l’intérêt porté à ce travail et le support
financier, la municipalité d’Orgnac, représentée par M. René Ughetto, maire, ainsi que le personnel du site pour son accueil et pour son aide.
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