La formation des grottes

  

La formation 

des GROTTES

  

Avec l'aimable autorisation de

AGFA-GEVAERT n.v. ©

 


  Dans la nature ...

  

Les lois d'équilibre dérivées exigent qu'un système doit être considéré comme fermé de sorte qu'il ne produit pas d'échange de matière avec l'environnement.

 

A titre de simplification nous considérons des solutions aqueuses et leurs éprouvettes ou béchers comme systèmes fermés.En outre, nous avons supposé que l'échappement de gaz dissous ou l'évaporation de liquides sont négligeables. Sur l'image  représentant une grotte, nous montrons le résultat d'un mélange à l'équilibre ayant évolué d'un système fermé vers un système ouvert. L'exemple montre la formation de stalagmites dans les grottes. En dehors d'autres acides éventuels, l'eau  de pluie contient une certaine quantité d'acide carbonique H2CO3. Cette eau s'infiltrant dans le sol est enrichie en surface ou sous terre avec du CO2, surtout quand l'eau pénètre dans des sols riches en humus. C'est à cause de cela que la pression partielle de CO2 s'accroît continuellement.

 

On peut représenter une eau semblable comme de l'eau gazeuse dans une bouteille fermée. Quand cette solution de H2CO3 entre en contact avec du calcaire, il se produit la réaction suivante:

CaCO3(s) + H2CO3(aq)   <==>  Ca2+(aq) + 2 HCO3-(aq) (I)

  

Un acide plus fort (H2CO3) est capable de chasser un acide plus faible (HCO3-) de son sel, entièrement ou en partie. Dans ce cas particulier, comme l'exprime la première équation réactionnelle, ceci va de pair avec la conversion d'un composée peu soluble en un composé plus soluble. Ensuite, ces ions sont emportés, d'abord dans les rivières souterraines et après dans les cours d'eau en surface. Ceci mène à la formation de cavités ou de grottes et d'eau dure.

  

Nous restons encore un instant dans une grotte. Le CaCO3 emporté a fait place à l'eau et à l'air. Ainsi peuvent se produire des courants d'air et de liquides, qui transforment le système fermé en un système ouvert. Cette "ouverture" a bien des conséquences spectaculaires. L'aspect spécial a affaire à la solubilité assez faible de CO2 dans l'eau et à l'influence de la température sur cette solubilité. Afin d'élucider ce phénomène, nous retournons à l'équation déjà employée (I) de la réaction d'équilibre que nous écrivons à nouveau comme suit puisque H2CO3(aq) <==> H2O + CO2(aq) :

 

CaCO3(s) + H2O + CO2(aq)   <==>   Ca2+(aq) + 2 HCO3-(aq) (II)

  

  

Quelques remarques

  

L’équilibre carbonate-bicarbonate peut être rompu par des facteurs physico-chimiques  ou biologiques .

Parmi les facteurs physico-chimiques, citons: l’élévation de température (dépôt de tartre, sources pétrifiantes); la diminution de pression (certaines sources pétrifiantes); l’augmentation de pH; l’agitation des eaux; la concentration par évaporation (concrétions dans les grottes et les diaclases des pays calcaires, caliches et croûtes calcaires dans les sols méditerranéens et tropicaux); la concentration par le gel (formation de calcin , qui a cimenté les graviers des alluvions ou provoqué la formation de croûtes ou d’efflorescences en aiguilles (vatérite ) pendant les périodes froides du Quaternaire).

  

Les actions biologiques résultent principalement de l’activité des Bactéries, des Algues et des Charophytes. Les végétaux chlorophylliens, pendant le jour, prélèvent directement du CO2, ce qui provoque, dans certains cas, une précipitation immédiate de CaCO3 qui emprisonne les organismes (tufs, travertins). Mais, le plus souvent, ce sont les bactéries qui agissent, indirectement, par augmentation du pH et diminution de la réserve alcaline, et aussi par l’intermédiaire des composés ammoniacaux provenant de la décomposition des matières organiques. Le bicarbonate de calcium donne du carbonate de calcium et du carbonate d’ammonium selon la réaction:

 

CaH2(CO3)2  +  2 NH3 --> CaCO3  +  (NH4)2CO3

Dans les eaux chargées de sulfate de chaux, on a ensuite une nouvelle précipitation de CaCO3, sous forme d’aragonite:

 

(NH4)2CO3  + CaSO4 --> CaCO3  +  (NH4)2SO4

  

Essentiellement, cette manière d'écrire l'équation (II) revient sur la précédente mais fait ressortir l'instabilité de H2CO3 et sur la faible solubilité du CO2 gazeux. Dans un espace de grotte ouvert, une partie de ce CO2 gazeux peu soluble peut s'échapper du système en équilibre. Il suffit que la température y est un peu plus élevée pour que la solubilité de CO2 diminue.

 

L'expression de la constante d'équilibre se présente comme suit:

Kc = [Ca2+]e .[HCO3-]2 / [CO2]e  (III)

On n'a pas tenu compte ici du dissolvant et de la matière solide. Quand le CO2 disparaît avec le courant d'air, la valeur du dénominateur diminue; par conséquent, le nominateur, lui aussi, doit diminuer pour satisfaire à la condition d'équilibre. La réaction d'équilibre (III) se deplaçera donc vers la gauche. Il doit se former du précipité de CaCO3! Rappelons-nous, en effet, la loi de Le Châtelier ; la disparation d'un réactif d'un système en équilibre favorise le sens qui le régénère, donc ici, le sens inverse.

 

Ces dépôts calcaires se forment donc aussitôt que l'eau d'infiltration est exposé au plein air.Ceci se présente dans les grottes et c'est donc là que l'on trouve les stalagtites typiques.

 

De façon analogue se forment, sur le sol des grottes, les stalagmites. Dans les deux cas il se forme d'impressionnantes structures calcaires qui parfois sont colorées par la présence d'autres sels précipités. Elles sont donc le joli résultat d'une perturbation d'un équilibre chimique qui dure des siécles.  

 

On consultera également avec grand intérêt, sur le site de "Doc CARBUR", la chronique n°4 : le "Spéléothème". D'autres pages, concernant la géochimie des carbonates, sont également intéressantes pour qui désirent d'autres explications chimiques pointues quant aux ions carbonate. Et, accessoirement, celles et ceux qui s'intéressent à la "fabrication maison" de cristaux iront consulter les sites suivant : Croissance des cristaux (en français), Crystal Growing (en anglais) et Chrystallography (en anglais).

 

 

  

  

 

Et quelques liens "WEB" ...  

plus COOL !

 

Les grottes existent par milliers dans le monde. Proches également de chez nous, en Belgique, en France, ... des dizaines de grottes dévoilent non seulement leurs beautés structurelles mais également leur intérêt archéologique.

  • Les grottes de Han ; quelques renseignements : C'est chez nous ...

  • Les grottes d'Ariège dans les Pyrénées vous racontent un peu de préhistoire ... 

  • Les grottes de Choranche dans le Vercors ne sont pas à dédaigner.

  • En Basse-Navarre, également la grotte d' Isturitz

  • Près de Cabris, la grotte des Audides 

  • A Ariège, dans les Pyrénées, la grotte de Lombrives est magnifique avec le procédé 'NET-VISION'  et vaut le détour ... (Choisir banques d'images, puis cliquez sur 'NetVision')

  • Très jolie, la grotte de Limousis, toujours magnifique avec le procédé 'NET-VISION' et vaut le détour ...  (Choisir banques d'images, puis cliquez sur 'NetVision')

  • Toujours en France, les grottes de Saint-Marcel d'Ardèche

  • De belles photographies vous attendent à : Cabrespine, magnifique également avec le procédé 'NET-VISION' et vaut le détour ... (Choisir banques d'images, puis cliquez sur 'NetVision')  

  • Et encore la grotte de Saint-Elzéar vous accueille ...

  • Et enfin, en Ardèche, les grottes d'Aven d'Orgnac

  • Et encore ... en cherchant sur le Web, vous trouverez d'autres sites, plus intéressants les uns que les autres !

Cette liste est loin d'être exhaustive, elle vous permet d'accéder à quelques belles images, à des renseignements utiles, ...

Bonne et belle découverte !

  

  

  

 

Dans notre habitation ...

Les dépôts "calcaires" !

Nous ne vivons pas dans des grottes ; pourtant, ce phénomène naturel se produit aussi chaque jour dans notre cuisine, à savoir la formation de dèpôts calcaires dans les casseroles et les réchauds. On trouve également des dépôts calcaires sur la paroi intérieure des percolateurs, des chauffe-eau électriques, des lave-vaisselle, etc. Forcément, une pareille formation de dépôts se produit surtout lorsqu'on emploie de l'eau dure. Elle contient beaucoup d'ions de calcium et de magnésium ensemble avec des ions d'hydrogénocarbonate.

 

Sans doute vous avez déjà remarqué que ce défaut d'incrustation se manifeste surtout lors du chauffage de cette eau dure. Pour cette raison vous comprendrez que les lessiveuses automatiques et les lave-vaisselle fonctionnent de préférence avec de l'eau de pluie ou de l'eau "adoucie". Pour le détartrage d'un appareil nous appliquons une réaction que nous avons appris de la nature. Nous employons un acide plus fort, tel que l'acide formique ou l'acide acétique pour transformer le carbonate insoluble en hydrogénocarbonate soluble (cf équation (I) ).

  

Dans la cuisine nous rencontrons encore d'autres applications semblables. Prenons p. ex. l'usage de la levure en poudre ou de l'hydrogénocarbonate de sodium NaHCO3. Ce sel bien soluble se dissout dans l'eau contenue dans la pâte. Dans cette pâte légèrement acide H+(aq) il se forme tout d'abord de l'acide carbonique.

Na+(aq) + HCO3-(aq) + H+(aq)  <==>  H2CO3 + Na+(aq)

Lors du chauffage de la pâte, l'équilibre de la réaction suivante se déplace vers la droite de sorte que le CO2 s'échappe du milieu aqueux:

H2CO3(aq)   <==> H2O + CO2(aq)

Ce dégagement de gaz fait que la pâte commence à lever.

 

 

 

Et en Belgique ...

Les grottes de Han !

Bien que petite à l'échelle mondiale et européenne, nous trouvons en Belgique, dans le condroz au sous-sol calcaire, de "petites" mais magnifiques grottes. Les unes sont accessibles aux spéléologues accomplis, les autres le sont au grand public. Celles-ci constituent un but idéal d'excursion pédagogique.

Les grottes de Han sont un "classique" bien connu depuis de nombreuses années. D'intéressantes informations, qui permettent de préparer une visite pédagogique, sont proposées sur le site EXCURSIONS SCOLAIRES. On y découvrira un bref diaporama présentant, de façon dynamique, la formation des grottes.

D'autres pages de ce site sont dédiées à la présentation de la faune de la réserve animalière qui jouxte les grottes.Enfin, des liens intéressants pour enfants et adultes scientifiques sont également proposés. Bonnes visites virtuelle et ... réelle !

 

 


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