Les dolines (figures 1 et 2) sont des dépressions fermées, généralement de forme circulaire ou elliptique, de dimensions petites ou modérées (quelques mètres à 50 m), et généralement moins profondes que larges. Certaines, les méga-dolines, peuvent avoir plus d’un kilomètre de diamètre et plus de 100 m de profondeur. Elles sont situées à la surface des roches solubles, telles le calcaire, et résultent de leur dissolution chimique.

a sinkhole

The term sinkhole is derived from the word "dolina", a Slovenian expression for a valley. Nowadays, it is used to define a characteristic figure of karst.

The sinkholes (figures 1 and 2) are closed depressions, generally circular or elliptical in shape, small or moderate in size (a few meters to 50 m), and generally shallower than wide. Some, the mega-dolines, can be over a kilometer in diameter and more than 100 m deep. They are located on the surface of soluble rocks, such as limestone, and result from their chemical dissolution.

Les géomorphologues karstiques ont toujours accordé une importance particulière à l’étude des dolines car le karst est toujours développé là où des dolines affleurent en surface, mais l’absence de dolines ne signifie pas l’absence de karst [1] en profondeur car les conduits karstiques peuvent évoluer sans dolines en surface (Goldscheider and Drew, 2007).

Création des dolines et morphologie associée

Les facteurs à l’origine de la genèse des dolines sont les mêmes que ceux permettant la karstification des formations carbonatées en général. L’eau s’infiltre par les fissures et les fentes de la roche puis, par dissolution, les fissures s’élargissent : un tassement de la surface se produit et crée une dépression fermée, donnant naissance à une doline classique.

Les dolines peuvent être classées en plusieurs groupes (Waltham and Fookes), chacun possédant un mécanisme de formation différent (figure 1) :

• les dolines de dissolution sont formées par une dissolution [2] lente et progressive de la partie superficielle de la roche, aidées par un léger effondrement. Elles sont très représentées dans les terrains karstiques nus, donnant une morphologie en cuvette ou en entonnoir ;
• les dolines d’effondrement sont formées par un effondrement instantané ou progressif du toit d’une cavité [3]. Les dolines d’effondrement ne sont pas communes ; ce sont souvent les formes très avancées des dolines de dissolution ;
• les dolines enfouies sont recouvertes par une couverture meuble suite à un changement d’environnement. Des désordres en surface peuvent apparaître par compaction de la couverture au-dessus de la doline et par réactivation de la fonction de drainage de la doline ;
• les dolines de subsidence apparaissent quand un sol recouvre un karst. L’eau entraîne des éléments de ce sol dans les fissures et cavités. Selon la nature de la couverture, il se crée alors une doline de suffosion [4] (dans les formations sableuses sans cohésion) ou une doline d’effondrement (dans les formations argileuses cohésives) qui s’apparente au second cas.

Creation of sinkholes and associated morphology

The factors behind the genesis of the sinkholes are the same as those allowing the karstification of carbonate formations in general. The water seeps through the cracks and crevices in the rock and then, by dissolution, the cracks widen: a settlement of the surface occurs and creates a closed depression, giving rise to a classic sinkhole.

Sinkholes can be classified into several groups (Waltham and Fookes), each with a different mechanism of formation (Figure 1):

    dissolution sinkholes are formed by a slow and progressive dissolution [2] of the surface part of the rock, aided by a slight collapse. They are widely represented in bare karstic terrain, giving a bowl or funnel morphology;
    Collapse sinkholes are formed by an instantaneous or progressive collapse of the roof of a cavity [3]. Collapse sinkholes are not common; these are often the very advanced forms of dissolution sinkholes;
    the buried sinkholes are covered by a loose cover following a change of environment. Surface disorders can appear by compaction of the cover above the sinkhole and by reactivation of the drainage function of the sinkhole;
    Subsidence sinkholes appear when soil covers a karst. Water carries elements of this soil into cracks and cavities. Depending on the nature of the cover, a suffosion sinkhole [4] (in sandy formations without cohesion) or a collapse sinkhole (in cohesive clay formations) is created which is similar to the second case.

Figure 1 : Classification des différents types de dolines se développant en contexte de roches solubles (Waltham et Fookes, 2003)

Le mécanisme de création par dissolution donne naissance à des dolines, dont la majorité a des dimensions comprises entre 2 et 50 m, à la fois en largeur et en profondeur. Diverses formes peuvent alors être associées à ces dolines de dissolution (figure 2 - Gilli, 2011) :

Figure 1: Classification of the different types of sinkholes developing in the context of soluble rocks (Waltham and Fookes, 2003)

The mechanism of creation by dissolution gives rise to sinkholes, the majority of which have dimensions between 2 and 50 m, both in width and in depth. Various forms can then be associated with these dissolution sinkholes (figure 2 - Gilli, 2011):

Figure 2 : Quelques formes classiques de dolines

• dolines en verre de montre : en coupe, elles ont une forme en arc de cercle ;
• dolines en entonnoir : les versants sont pentus, le fond est souvent obstrué de gros blocs ;
• dolines en baquet ou en chaudron : elles possèdent des bordures verticales au-dessus d’un plancher horizontal ;
• dolines asymétriques : elles montrent un versant plus pentu que l’autre ;
• dolines de soutirage : ce sont des formes qui affectent un matériau meuble recouvrant une zone karstique. En début d’évolution, elles ont généralement une forme en entonnoir ou en verre de montre mais elles peuvent évoluer brutalement vers un effondrement avec des bordures verticalisées et laisser apparaitre le substratum rocheux.

Figure 2: Some classic forms of sinkholes


    watch glass sinkholes: in section, they have an arcuate shape;
    funnel-shaped sinkholes: the slopes are sloping, the bottom is often blocked with large blocks;
    tub or cauldron sinkholes: they have vertical edges above a horizontal floor;
    asymmetric sinkholes: they show a steeper slope than the other;
    Draw-off sinkholes: these are forms that affect a loose material covering a karst area. At the start of their evolution, they usually have a funnel or watch glass shape, but they can suddenly collapse with verticalized edges and reveal the bedrock.

Rôle des dolines dans l’infiltration d’eau (figure 3)

L’étude des dolines amène donc des informations sur l’expression du karst en surface mais elle donne aussi des indications sur les zones d’infiltration préférentielles. En effet, l’infiltration de l’eau dans la doline peut se faire à différents niveaux (Salomon, 2006) :

• à la surface du karst, les pluies peuvent ruisseler et l’eau peut s’introduire rapidement dans l’endokarst [5] à travers des fissures au fond de la doline. En l’absence de contact avec le sol, les eaux qui pénètrent dans l’aquifère sont peu chargées en carbonates.
• une infiltration au niveau de la couverture pédologique [6]. où elle pourra être plus ou moins lente en fonction de la présence de fissures ;
• une infiltration épikarstique [7] donnera naissance à un écoulement sous-cutané [8], ce dernier étant défini par l’eau qui traverse la couche supérieure et altérée des calcaires sur les flancs de la doline. Dans ces eaux, la concentration en carbonate est élevée et s’explique par un contact prolongé de l’eau avec le calcaire.

Toutes ces eaux qui s’infiltrent traversent la zone épikarstique pour rejoindre un drain [9] principal en direction d’une rivière souterraine.

Au final, les dolines constituent des chemins d’infiltration préférentiels vers la nappe et peuvent avoir ainsi une incidence sur la quantité et la qualité des eaux souterraines. Elles peuvent en effet avoir un rôle déterminant dans la pollution des nappes car elles permettent de concentrer les écoulements et de favoriser l’entrée de l’eau dans les aquifères (Salomon, 2006). Leur connaissance (densité, morphologie, remplissage, …) est donc primordiale et les secteurs contenant beaucoup de dolines peuvent être considérées comme des zones à risque de pollution.

Role of sinkholes in water infiltration (Figure 3)

The study of the sinkholes therefore provides information on the expression of karst on the surface but it also gives indications on the preferential infiltration zones. Indeed, the infiltration of water into the sinkhole can occur at different levels (Salomon, 2006):

    at the karst surface, rains can run off and water can quickly enter the endokarst [5] through cracks at the bottom of the sinkhole. In the absence of contact with the ground, the water entering the aquifer has little carbonate content.
    infiltration at the level of the soil cover [6]. where it can be more or less slow depending on the presence of cracks;
    epikarstic infiltration [7] will give rise to subcutaneous discharge , the latter being defined by the water passing through the upper layer and altered limestone on the sides of the sinkhole. In these waters, the carbonate concentration is high and can be explained by prolonged contact of the water with the limestone.

All this infiltrating water crosses the epikarstic zone to join a main drain [9] in the direction of an underground river.

Ultimately, the sinkholes constitute preferential infiltration paths to the water table and can thus affect the quantity and quality of groundwater. They can indeed play a decisive role in the pollution of groundwater because they allow the concentration of flows and promote the entry of water into aquifers (Salomon, 2006). Their knowledge (density, morphology, filling, etc.) is therefore essential and the sectors containing a lot of sinkholes can be considered as areas at risk of pollution.

Figure 3 : Fonctionnement d’une doline en entonnoir (d’après Salomon, 2006)

Bibliographie

Gilli E. (2011) - Karstologie - Karsts, grottes et sources. Collection : Sciences Sup, Dunod, 256 p.

Goldscheider N. and Drew D. (2007) - Methods in karst hydrogeology. IAH International Association of Hydrogeologists, Taylor & Francis, London, 264 p.

Salomon J-N. (2006) - Précis de karstologie (2^e édition). Presses Universitaires de Bordeaux : 289 p.

Waltham A.C. and Fookes P.G. (2003) - Engineering classification of karst ground conditions. Quarterly Journal of Engineering Geology and Hydrogeology, v.36 ; p101-118.