Matériaux et caractéristiques de dépôt

Il existe trois grandes catégories de matériaux sédimentaires que l’on trouve dans les grottes : les sédiments clastiques charriés par les cours d’eau et infiltrés depuis la surface ; les blocs, dalles et fragments d’effondrement issus du substratum rocheux local ; et les sédiments chimiques déposés dans la grotte par les eaux de percolation. Les sédiments chimiques sont les plus diversifiés et sont responsables de la beauté décorative de nombreuses grottes.

Le plus commun des sédiments chimiques secondaires est la calcite, carbonate de calcium. On trouve également une forme moins courante de carbonate de calcium, le minéral aragonite. Le deuxième minéral caverneux le plus courant est le gypse, sulfate de calcium dihydraté. D’autres minéraux carbonatés, sulfatés et oxydés sont parfois présents dans les grottes. La plupart d’entre eux nécessitent que la grotte soit associée à des gisements de minerai ou à d’autres environnements géologiques particuliers. Pour cette raison, sur les plus de 200 espèces minérales connues pour être présentes dans les grottes, seules une vingtaine sont largement répandues.

Les dépôts de minéraux de grottes se présentent sous de nombreuses formes, leurs formes étant déterminées par le fait qu’ils ont été déposés par de l’eau qui s’égoutte, qui coule ou qui suinte ou dans des mares d’eau stagnante. Collectivement, ces formes minérales secondaires sont connues sous le nom de spéléothèmes.

L’eau émergeant d’un joint dans le plafond de la grotte pend pendant un certain temps comme une goutte pendante. Pendant ce temps, une petite quantité de carbonate de calcium se dépose dans un anneau où la goutte est en contact avec le plafond. Puis la goutte tombe, et une nouvelle goutte prend sa place, déposant également un petit anneau de carbonate de calcium. C’est ainsi que se forme un spéléothème en forme de glaçon appelé stalactite. La forme des stalactites varie, allant d’une fine paille à des pendentifs massifs ou des formes drapées. Les stalactites ont un canal central qui transporte l’eau depuis le joint d’alimentation jusqu’à l’extrémité de la stalactite. Lorsque les gouttes tombent sur le sol de la grotte, des matières minérales supplémentaires se déposent et des stalagmites se forment. Les stalagmites prennent également de nombreuses formes, du manche à balai élancé aux formes de monticules et de pagodes. Les stalagmites sont constituées de calottes ou de couches superposées et ne possèdent pas de canal central. Les stalactites peuvent devenir si grandes qu’elles ne peuvent pas supporter leur propre poids ; on trouve parfois des fragments brisés de grandes stalactites dans les grottes. Les stalagmites ne sont pas aussi limitées et peuvent atteindre des hauteurs de plusieurs dizaines de mètres. L’eau qui s’écoule le long des corniches et le long des parois laisse derrière elle des feuilles de calcite, qui constituent un dépôt massif connu sous le nom de flowstone.

La plupart des gisements de pierre de coulée sont composés de calcite, bien que d’autres minéraux soient parfois présents. La calcite est généralement grossièrement cristalline, densément tassée, et colorée de diverses nuances de tan, orange et brun. Une partie du pigment provient d’oxydes de fer transportés dans le dépôt par l’eau d’infiltration, mais l’agent colorant le plus courant est constitué de substances humiques provenant des sols sus-jacents. Les substances humiques sont les produits organiques de la décomposition des plantes, qui sont également responsables de la couleur brune de certains sols et de la couleur semblable à la sarcelle de certaines eaux de marais et de lacs. Les spéléothèmes de calcite peuvent être d’un blanc pur mais paraître laiteux en raison de nombreuses petites inclusions d’eau dans la structure.

La calcite dans les spéléothèmes provient du calcaire sus-jacent près de l’interface roche/sol. L’eau de pluie qui s’infiltre dans le sol absorbe le dioxyde de carbone du sol riche en dioxyde de carbone et forme une solution diluée d’acide carbonique. Lorsque cette eau acide atteint la base du sol, elle réagit avec la calcite du substrat rocheux calcaire et en met une partie en solution. L’eau continue sa descente à travers les joints étroits et les fractures de la zone non saturée, sans autre réaction chimique. Lorsque l’eau émerge du toit de la grotte, le dioxyde de carbone est perdu dans l’atmosphère de la grotte et une partie du carbonate de calcium est précipitée. L’eau qui s’infiltre agit comme une pompe à calcite, la retirant du sommet de la roche-mère et la redéposant dans la grotte en dessous.

Les grottes offrent un environnement très stable où la température et l’humidité relative peuvent rester constantes pendant des milliers d’années. La lente croissance des cristaux n’est pas interrompue, et certains spéléothèmes ont des formes contrôlées par les forces de la croissance cristalline plutôt que par les contraintes de l’eau qui s’égoutte et qui coule. Les spéléothèmes connus sous le nom d’hélictites ressemblent beaucoup aux stalactites, car ils possèdent un canal central et se développent en longues formes tubulaires. Ils se tordent et tournent dans toutes les directions, cependant, et ne sont pas guidés par la force gravitationnelle des gouttes d’eau pendantes. Une autre variété de spéléothème, l’anthodite, est un amas rayonnant de cristaux en forme d’aiguille. Les anthodites sont généralement composés d’aragonite, qui a un comportement différent (c’est-à-dire la forme des grains de cristaux individuels) de la variété la plus courante de carbonate de calcium, la calcite. Les parois des grottes présentent des formes de perles ou de coraux en couches, et des arrangements complexes de cristaux se trouvent dans les bassins des grottes. Les bassins d’eau saturés en carbonate de calcium ont la propriété remarquable de s’entourer de barrages de calcite précipitée sur le pourtour.

Le gypse et d’autres minéraux sulfatés plus solubles dans l’eau comme l’epsomite (sulfate de magnésium heptahydraté) et la mirabilite (sulfate de sodium décahydraté) se développent à partir des eaux d’infiltration dans les grottes sèches. Le dépôt des minéraux sulfatés est dû à l’évaporation des solutions contenant les minéraux. Ces minéraux se présentent sous forme de croûtes et de masses rayonnantes et incurvées de cristaux fibreux, appelées fleurs de gypse. En raison de leur plus grande solubilité, les minéraux sulfatés n’apparaissent pas ou sont détruits dans les grottes humides ou mouillées.