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Apport du LiDAR aéroporté sur la compréhension des facteurs d’exokarstification en contexte de bas plateau, exemple de la Montagne de Reims (France)

Contribution of airborne LiDAR on the understanding of exokarstification factors in a low plateau context, example of the Montagne de Reims (France)
Julien Berthe, Alain Devos, Olivier Lejeune, Nicolas Bollot, Gilles Fronteau, Robin Perarnau et Sarah Ortonovi
p. 207-221

Résumés

La karstification des bas plateaux calcaires de l’est de la France est dominée par les karsts verts (sous forêt) et les karsts couverts ou de contact lithostratigraphique. La connaissance de la répartition spatiale de l’exokarst est difficile en forêts privées. C’est le cas en Montagne de Reims, sur le revers forestier de la côte d’Ile de France, à couverture cénozoïque, qui constitue un espace à forts enjeux patrimoniaux (Parc Naturel Régional (PNR), Forêt d’exception®, Réserves biologiques, inscription UNESCO), comprenant 33 % de forêts domaniales et communales morcelées dans 66 % de forêts privées. Une mission réalisée durant l’hiver 2017-2018 pour l’ONF et le PNR Montagne de Reims a permis de restituer un Modèle Numérique de Terrain (MNT) haute-résolution grâce au LiDAR aéroporté. Mais, la discrimination des morphologies naturelles et anthropiques s’avère indispensable dans ce contexte forestier aux importants héritages historiques (structures archéologiques, extraction des géomatériaux, polémo-paysages). Le traitement des images LiDAR combiné à une approche multi-critères sous SIG a permis la détection de plus de 750 dépressions karstiques réparties le long d’un liseré étroit et discontinu. Sur le front de côte, en amont pendage, il occupe essentiellement des replats structuraux alors que sur le revers, il s’inscrit dans des vallées où les dynamiques d’infiltration (en tête de talweg) et de soutirage (sur les versants) dominent. Cette répartition spatiale s’explique à l’échelle régionale, par le dispositif structural (héritage des conditions paléogéographiques du Thanétien) et par l’épaisseur de la couverture cénozoïque. A l’échelle locale, elle dépend du degré de grésification des calcarénites, du rôle des dynamiques d’écoulement (ordination des réseaux de talweg, gradient hydraulique) et de versant (mouvements de terrain). Elle témoigne également d’une karstogenèse récente (Holocène) mais complexe car étagée et polyphasée.

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Notes de la rédaction

Manuscrit reçu le 16/03/2022, reçu sous forme révisée le 03/05/2022, définitivement accepté le 12/05/2022

Texte intégral

Les auteurs remercient l’ONF et le PNR-MR pour l’accès aux données LiDAR, ainsi que les rapporteurs de la revue Géomorphologie pour leurs remarques.

1. Introduction

1La karstification dépend de plusieurs facteurs structuraux et conjoncturels (Quinif, 1983). En montagne, le cadre structural, les forts gradients hydrauliques associés à de lourds héritages quaternaires (glaciation) prédominent (Maire, 1990). Dans les régions de bas plateaux, celle-ci est inféodée aux conditions d’écoulements (Nicod, 1995 ; Gamez, 1992). Ces dernières sont liées aux contrastes de perméabilités des formations géologiques développant, dans l’est de la France, des karsts de contact lithostratigraphiques sous la forme de front de karstification (Nicod, 1994 ; Jaillet, 2005), ou des karst couverts (sous couverture géologiques). Généralement, la karstification se développe sur les revers des cuestas (Lejeune et Devos, 2001) en limite de couvertures imperméables. Ces dernières favorisent par ruissellement la concentration des écoulements vers des systèmes karstiques reconnus spéléologiquement (endokarst) dans les calcaires sous-jacents. La connaissance de ces systèmes repose sur l'inventaire de l’exokarst, généralement réalisé sur le terrain par les associations de spéléologues. En Montagne de Reims, le karst est connu dès le XIXe siècle où, déjà, certaines sources karstiques sont explorées et captées pour l’eau potable. En 1902, A.E. Martel, l’inventeur de la spéléologie moderne, explore les rivières souterraines, cartographiant l’endokarst de Trépail qui devient alors le réseau de la craie le plus long du monde. Ce n’est que dans les années 1990 que les universitaires étudient ce liséré karstique et exclusivement sur son versant septentrional (Rodet, 1992 ; Lejeune, 1999, 2000 ; Lejeune et Devos, 2001 ; Lejeune et al., 2007), et ces travaux, sont limités aux secteurs de forêts domaniales, qui ne représentent qu’un tiers du massif forestier. Le restant, en forêts privées, reste pratiquement inexploré car difficilement accessible.

2De nouvelles études (Berthe et al., 2021) ont été lancées, suite à une mission LiDAR aéroportée, commandée par l’Office National des Forêts (ONF) et le Parc Naturel Régional de la Montagne de Reims (PNRMR) en 2018, dans le cadre du label Forêt d’exception® (Fodex).

3Après une présentation du secteur d’étude, de la méthodologie d'acquisition et de traitement des données LiDAR, nous exposerons les résultats obtenus concernant la répartition des formes exokarstiques et définirons les facteurs qui favorisent ou limitent la karstification. Les relations entre exokarst et incision des vallées, le rôle des variations de l’épaisseur de la couverture cénozoïque et les liens étroits qu'entretiennent l’exokarst et les mouvements de terrain seront discutés et précisés.

2.  Présentation de la zone d'étude

2.1. Le contexte géomorphologique de la Montagne de Reims

4La Montagne de Reims, qui constitue la terminaison la plus orientale de la côte d’Ile-de-France (fig. 1), est située entre les percées cataclinales de la Vesle au nord et de la Marne au sud. Dominant la Champagne crayeuse d’environ 200 m, la Montagne de Reims culmine à 296 m d’altitude NGF. Elle est découpée en trois plateaux, d’ouest en est, le plateau de Saint-Imoges, de Ville-en-Selve et de Saint-Basle, par le réseau hydrographique de la Livre, tributaire de la Marne sur son versant méridional. A l’inverse, le versant nord, constituant le front de la cuesta est plutôt rectiligne et pentu.

Fig. 1 - Carte de localisation du secteur d’étude.
Fig. 1 - Map of the study area.

Fig. 1 - Carte de localisation du secteur d’étude.Fig. 1 - Map of the study area.

A : plateau de Saint-Imoges ; B : plateau de Ville-en-Selve ; C : plateau de Saint-Basle. 1. Emprise du PNR Montagne de Reims ; 2. Emprise de la campagne LiDAR ; 3. Communes ; 4. Plateaux ; 5. Réseau hydrographique.
A: Saint-Imoges plateau; B: Ville-en-Selve plateau; C: Saint-Basle plateau. 1. Area of the PNR Montagne de Reims; 2. Extent of the LiDAR campaign; 3. Communes; 4. Plateaux ; 5. Hydrographic network.

5La Montagne de Reims est armée dans les formations de l’Oligo-Eocène plutôt imperméables dans la partie supérieure (fig. 2). Ces dernières reposent sur des formations du Paléocène (dont les calcarénites à Microcodium du Thanétien) qui recouvrent un niveau d’altération de la craie (marnes à blocs de craie). L’ensemble repose sur la craie du Campanien qui constitue le soubassement de la Montagne de Reims. Les pendages sont inférieurs à 1 % du NO vers le SE. On notera toutefois une diminution substantielle de l’épaisseur du Cénozoïque vers l’est, passant de 135 m à Villers-Allerand à moins de 20 m à l’est. Cette réduction de la puissance des formations cénozoïques est surtout liée à la disparition des faciès marins du Thanétien, Yprésien et Lutétien et à l’affaiblissement de la puissance de l’Eocène moyen et supérieur (Laurain et al., 1986). Ces variations de puissances s’accompagnent d’une grande diversité de faciès inhérentes aux conditions paléogéographiques de dépôts durant le Paléogène (faciès continentaux, fluviatiles, littoraux et marins) (Duprat, 1997 ; Laurain et Meyer, 1986). Les roches meubles du Paléogène participent à une importante susceptibilité aux mouvements de terrain, particulièrement dans les secteurs où la puissance de ces strates est plus importante (Ortonovi et al., 2021).

Fig. 2 - Coupe schématique du fonctionnement du karst de la Montagne de Reims.
Fig. 2 - Schematic section of the karst of the Montagne de Reims.

Fig. 2 - Coupe schématique du fonctionnement du karst de la Montagne de Reims.Fig. 2 - Schematic section of the karst of the Montagne de Reims.

1. Limons des plateaux (Quaternaire) ; 2. Formations argilo-calcaires-sableuses (Cénozoïque) ; 3. Argile et sables à lignite (Yprésien) ; 4. Calcarénites à Micocodium (Thanétien) ; 5. Craie (Campanien) ; 6. Exokarst ; 7. Endokarst ; 8. Source ; 9. Ruissellement ; 10. Infiltration.
1. Plateau silts (Quaternary); 2. Clay-limestone-sand formations (Cenozoic); 3. Clay and sand with lignite (Ypresian); 4. Micocodium calcarenites (Thanetian); 5. Chalk (Campanian); 6. Exokarst; 7. Endokarst; 8. Spring; 9. Runoff; 10. Seepage.

6La surface de la Montagne de Reims est largement perturbée par des anciens sites d’extraction de géomatériaux (carrières meulières, sables, argiles, grès et calcaires) mais également par les structures archéologiques et anthropiques (voies, drains). Les formes héritées des deux conflits mondiaux (polémoformes) notamment perturbent très fortement la lisibilité des reliefs karstiques (Taborelli, 2018 ; De Matos-Machado, 2018).

7La surface des plateaux, coiffée par les argiles à meulières, est sensible au ruissellement et franchement humide. L’alternance stratigraphique des formations cénozoïques engendre des variations de perméabilité importantes qui déterminent des aquifères perchés (Bartonien-Priabonien, Yprésien, Thanétien) alimentés par drainage et entretien des lignes de sources sur les versants qui participent aux écoulements. Ces derniers manifestement exoréiques sur le versant sud, s’infiltrent de manière diffuse dans la craie sur le versant nord.

8Cependant, dans les faits, un front de karstification affecte ce schéma d’écoulement le long d’un liseré karstique.

2.2. Le contexte karstique de la Montagne de Reims

9Le karst de la Montagne de Reims se présente sous la forme d’un liseré exokarstique discontinu, reconnu sur le versant nord du plateau de Saint-Basle, mais mal connu sur le versant sud (Damien et al., 2016). Il est perché car il se développe au contact des formations des argiles de l’Yprésien et des calcarénites du Thanétien. Ces dernières, légèrement indurées, forment des replats structuraux sur le front de côte et les versants. De nombreux gouffres et dolines jalonnent ce front nourri par des cours d’eau endoréiques (vallons aveugles) déterminant un karst de contact lithostratigraphique typique de l’est de la France.

10La couverture cénozoïque est également affectée par un karst couvert, associé à de l’exokarst développé dans les calcarénites et dans la craie (fig. 3A). Les réseaux endokarstiques reconnus spéléologiquement (fig. 3B) sont également observés dans la craie (Grande Fontaine de Verzy, rivière souterraine de Trépail), mais aussi dans les calcarénites (Pleureuse), avec des puits de raccordement entre ces deux niveaux. Cela détermine un étagement du karst caractéristique, qui favorise la concentration des écoulements vers la zone vadose de l’aquifère crayeux dont la nappe se situe 40 m au-dessous. Cette dernière ne présente pas de comportement hydrodynamique karstique connu. A ce titre, la craie ne présente pas de système annexe (Mangin, 1975) et le karst perché de la Montagne de Reims ne participe qu’à l’infiltration. Sous couverture forestière, il est également considéré comme un karst vert, entretenu par les acides liés au sol et à la végétation dans un contexte de dôme pluviométrique (850 mm/an). A l’image des autres karsts de l’est de la France, la karstification active semble jeune (Holocène) car tributaire de l’incision des réseaux hydrographiques et du dégagement de la cuesta.

Fig. 3 - Exemple de formes karstique en Montagne de Reims.
Fig. 3 - Example of karstic forms in the Montagne de Reims.

Fig. 3 - Exemple de formes karstique en Montagne de Reims.Fig. 3 - Example of karstic forms in the Montagne de Reims.

A : Dolines, au centre de l’image le gouffre de la Fosse Martin-Godard (Berthe et al., 2021) ; B : Trou de serrure du collecteur principal de la grande fontaine de Verzy (Pettelat, 2021).
A: Dolines, in the center of the picture the abyss of the Fosse Martin-Godard (Berthe et al., 2021); B: Keyhole of the main collector of the grande fontaine de Verzy (Pettelat, 2021).

11En Montagne de Reims, les critères de la karstification présentent de fortes variabilités spatiales. Le gradient hydraulique est croissant vers l’est (Lejeune, 2000).  Les conditions paléogéographiques très diversifiées du Paléogène (continentales, deltaïques, estuariennes, littorales et marines) confèrent aux formations géologiques de fortes variations de puissances et de faciès notamment pour le Thanétien, composé de calcarénites plus ou moins cimentées à l’est, et de sables siliceux marins à l’ouest (Duprat, 1997 ; Laurain et Meyer, 1986).

12Le réseau d’incision des vallées du Quaternaire détermine l’occurrence des affleurements karstifiables en Montagne de Reims avec une opposition frappante entre le versant nord (bassin de la Vesle) et le versant sud (bassin de la Marne et de ses affluents de rive droite). En effet, au Nord, la Vesle n’a pratiquement aucun affluent incisé, alors que le versant sud de la Montagne de Reims est marqué par un réseau hydrographique dépendant de la Marne dont l’incision dépasse les 200 m.

13Enfin, les mouvements de terrain considérés comme un facteur défavorable à la karstification sont logiquement étudiés compte-tenu de leur organisation spatiale hétérogène (Bollot, 2014). Une analyse spatiale de ses critères s’avère donc indispensable pour expliquer la répartition de l’exokarst en Montagne de Reims.

3. Méthodes d’acquisition et de traitement des données LiDAR

3.1. Données du vol et caractéristiques des données LiDAR

14La zone d’étude correspond à l’emprise spatiale de la campagne LiDAR aéroporté, réalisée du 21 au 23 février 2018. Elle couvre 245 km² du Parc Naturel Régional de la Montagne de Reims soit 46 % de sa surface totale, mais représente 80 % de sa surface forestière. La réalisation de cette mission en hiver a permis de limiter l’interception du faisceau laser par le couvert forestier. La densité moyenne d’émission de points par bande est homogène sur la zone d’étude (6 points/m²) et présente un recouvrement important de 60 %, amenant à une densité d’émission supérieure à 12 points/m² (tab. 1).

Tab. 1 - Paramètres du LiDAR d’après Méchin, 2018 et David, 2019.
Tab. 1 - LiDAR parameters from Méchin, 2018 and David, 2019.

Tab. 1 - Paramètres du LiDAR d’après Méchin, 2018 et David, 2019.Tab. 1 - LiDAR parameters from Méchin, 2018 and David, 2019.

15Cette résolution se rapproche des autres campagnes LiDAR archéologiques, 10 points/m² sur la forêt de Haye (Georges-Leroy et al., 2008) ou sur la forêt de Compiègne en 2014 (David, 2014) avec une densité d’émission demandée de 12 points/m².

16Compte tenu du taux d’interception par la végétation le nombre de points au sol est différent, il reste largement satisfaisant puisque 98,36 % de la surface du massif reçoit au moins 5 points/m² en moyenne. Cela signifie que pour une image composée de pixels de 50 cm par 50 cm, il y a en moyenne au moins un point par pixel sur 98,36 % d’entre eux. De ce fait, le MNT de 50 cm de résolution subit une très faible interpolation et reste donc très fidèle à la réalité.

17Les précisions du relevé altimétrique et planimétrique, respectivement de 10 cm et 25 cm, sont largement satisfaisantes pour une analyse spatiale de l’exokarst. En effet, les campagnes de terrain révèlent que la forme exokarstique majoritaire en Montagne de Reims est la doline, d’une taille comprise entre 1 et 50 m de diamètre et de quelques centimètres à 10 m de profondeur. Toutefois, des formes comme le Gouffre du Renard, qui mesure 1 m de large sur 1 m de profondeur (fig. 4), bien que visible à partir des MNT d’une résolution de 50 cm, ne seront pas détectées par l’algorithme de détection. L’inventaire ne sera donc pas exhaustif.

Fig. 4 - Exemple du Gouffre du Renard.
Fig. 4 - Example of the Gouffre du Renard.

Fig. 4 - Exemple du Gouffre du Renard.Fig. 4 - Example of the Gouffre du Renard.

A : Photographie Gouffre du Renard, vallée de la Lingonne (Berthe et al., 2021) ; B : Image LiDAR du Gouffre du Renard (Ombrage multi-directionnel).
A: Photograph of Gouffre du Renard, Lingonne Valley (Berthe et al., 2021); B: LiDAR image of the Gouffre du Renard (multi-directional shading). 

3.2. Traitement de l’imagerie LiDAR pour la digitalisation de l’exokarst

18Pour digitaliser les formes exokarstiques à partir du modèle numérique de terrain de 50 cm de résolution, il est nécessaire de procéder en trois étapes.

19La première étape consiste à fusionner les 1 079 dalles (500 m x 500 m) (tab. 1) pour limiter au maximum le chevauchement des formes sur plusieurs images. Pour les traitements réalisés à l’aide du logiciel Relief Visualisation Toolbox (Kokalj et Hesse, 2017), les dalles sont converties en une dalle unique. Cependant pour ceux réalisés sur QGIS l’espace est découpé en 95 dalles de 2 km par 2 km. Ces choix sont purement techniques, dus aux limites du matériel informatique. Il aurait été préférable de travailler en permanence sur l’image complète.

20La seconde étape est la détection et la digitalisation des dépressions fermées significatives. Une dépression fermée est un pixel qui présente une altitude plus faible que la couronne de 8 pixels qui l’entoure, ce qui détermine des centaines de milliers de dépressions fermées en Montagne de Reims. Afin de limiter les fausses détections de dépressions fermées ou la détection de formes non identifiables sous SIG, il a été choisi de ne s’intéresser qu’aux dépressions qui présentent la configuration minimale de 4 pixels centraux entourés de 2 couronnes de pixels d’une altitude supérieure. Cela détermine un rayon minimum des dépressions détectable de 1,5 m. De plus, dans le secteur d’étude, le couvert végétal rend difficile l’observation des formes de moins de 30 cm de profondeur. Elles ont donc été éliminées de l’étude. Par contre, une dépression fermée dépassant 3 m de diamètre et 30 cm de profondeur est donc considérée comme une dépression significative.

21Le MNT brut (fig. 5A), n’est pas satisfaisant car il ne permet pas de détecter les dépressions. Grâce au logiciel RVT (Kokalj et Somrak, 2019), il est possible de générer un modèle de relief local (LRM) avec un rayon de 20 pixels révélant les zones en dépression (fig. 5B) (Moyes et Montgomery, 2016). Toutes les zones inférieures à 0 m d’altitude sont converties en polygones pour les traitements suivants. Pour discriminer les dépressions significatives, des isolignes d’une équidistance de 10 cm sont générées sur QGIS, (Wu et al., 2016) Les isolignes comprises entre 10 et 300 m sont sélectionnées. Ces bornes correspondent environ au périmètre d’un cercle d’un diamètre de 3 à 50 m (fig. 5C). Ensuite, le croisement entre les zones en dépressions repérées avec le LRM et les isolignes permet de ressortir la localisation de toutes les dépressions fermées.

22Le dernier traitement utilisé est l’ombrage multidirectionnel avec une élévation de 27° (fig. 5D). Il permet de décrire avec précision le contour des dépressions. A ce stade, toutes les dépressions fermées renfermant au moins deux isolignes (profondeur minimale de 30 cm) sont digitalisées manuellement pour obtenir un inventaire d’environ 10 000 dépressions significatives (fig. 5E). De nombreuses références bibliographiques proposent des approches automatiques pour la détection des phénomènes exokarstiques (Mihevc et Mihevc, 2021 ; Kokalj et Somrak, 2019 ; Wu et al., 2016). Toutefois, dans le contexte local (karst de versant et de front de côte, anthropisation du milieu, etc.), ces méthodes s’avèrent inadaptées.

23La troisième étape consiste à discriminer les dépressions karstiques des autres. Les critères de discrimination sont d’ordre géologique (proximité du contact lithostratigraphique, fig. 5H), géomorphologique (replat structural des calcarénites, fig. 5M), morphologique (bourrelet périphériques, rotondité, symétrie fig. 5F-K), hydrologique (endoréisme, fig. 5L), ou inhérent à leurs récurrences spatiales (fig. 5N). Cette discrimination aidée de la bibliographie (inventaires karstiques fig. 5G) et de nombreux traitements normalisés du MNT propose un inventaire des phénomènes exokarstiques. Tous les traitements ont été réalisés avec les paramètres par défaut sauf s’ils ont été précisés.

Fig. 5 - Planche de diverses exploitations du LiDAR.
Fig. 5 - Plot of various LiDAR operations.

Fig. 5 - Planche de diverses exploitations du LiDAR.Fig. 5 - Plot of various LiDAR operations.

A : Modèle numérique de terrain brut d’une résolution de 50 cm ; B : Modèle de Relief Local ; C : Isoligne d’une longueur de 10 à 300 m équidistance de 10 cm ; D : Ombrage multi directionnel ; E : Dépressions fermées d’un diamètre supérieur à 3 m et de 30 cm de profondeur ; F : Digues ; G : Système karstique de la fosse Martin-Godard ; G1 : Cartographie extraite de la bibliographie ; G2 : Ombrage multi directionnel du secteur ; H : BD-Charm-50 du BRGM ; I : Sky-view-factor ; J : Ombrage multidirectionnel sur différentes morphologies en Montagne de Reims ; J1 : Trous de bombes ; J2 : Batterie d'artillerie ; J3 : Fosses d’extraction de meulières ; J4 : Dolines ; K. Profil topographique d’une doline ; L : Exemple de dolines-pertes ; M : Profil topographique d’un versant présentant un exokarst en vert et le replat structural des calcarénites à Microcodium en orange ; N : Différents agencements de dépressions fermées significatives ; N1 : Alignement de fosses d’extraction ; N2 : Vallon karstique ; O : Dolines détectées dans l’inventaire. 
A: Raw digital terrain model with a resolution of 50 cm; B: Local Relief Model; C: Isoline with a length of 10 to 300 m and an equidistance of 10 cm; D: Multi-directional shading; E: Closed depressions with a diameter greater than 3 m and a depth of 30 cm; F: Dikes; G: Martin-Godard karst system; G1: Cartography extracted from the bibliography; G2: Multi-directional shading of the area; H: BD-Charm-50 of BRGM; I: Sky-view-factor; J: Multidirectional shading on different morphologies in Montagne de Reims; J1: Bomb holes ; J2: Artillery battery; J3: Extraction pits of millstones; J4: Dolines; K: Topographic profile of a doline; L: Example of sinkholes; M: Topographic profile of a slope showing an exokarst in green and the structural fold of Microcodium calcarenites in orange; N: Different arrangements of significant closed depressions; N1: Alignment of extraction pits; N2: Karst valley; O: Dolines detected in the inventory.

3.3. Méthodologie : Analyse de l'organisation spatiale de l'exokarst

24L’objectif était de proposer une analyse multicritère permettant d’expliquer la répartition spatiale de l’exokarst le long de son liseré karstique. Les critères retenus sont l’épaisseur de la couverture géologique, les réseaux de talwegs, et les dynamiques de versant (mouvement de terrain).  Pour le premier critère une approche statistique sur l’ensemble des phénomènes exokarstiques a pour objet de déterminer l’épaisseur maximale de couverture permettant la karstification. Pour les autres critères, cette approche est complétée par une analyse spatiale organisée en fuseaux de longitude de 1 000 m de largeur.  Les fuseaux sont numérotés de 0 à 21 d’ouest en est, appartiennent au bassin versant de la Vesle. Ceux numérotés de 22 à 43, d’est en ouest s’inscrivent dans le bassin versant de la Marne (fig. 6).

Fig. 6 - Zonage longitudinal de la Montagne de Reims.
Fig. 6 - Longitudinal zoning of the Montagne de Reims.

Fig. 6 - Zonage longitudinal de la Montagne de Reims. Fig. 6 - Longitudinal zoning of the Montagne de Reims.

1. Isoligne 230 m servant à pondérer la longueur de versant ; 2. Exokarst ; 3. Mouvement de terrain ; 4. Cellule de 1 000 m de longitude du bassin versant de la Vesle ; 5. Cellule de 1 000 m de longitude du bassin versant de la Marne.
1. Isoline 230 m used to weight the length of the slope; 2. Exokarst; 3. Land movement; 4. 1,000 m longitude cell of the Vesle watershed; 5. 1,000 m longitude cell of the Marne catchment area.

3.3.1. Impact de l’épaisseur de couverture géologique sur la répartition spatiale de l’exokarst

25L’étude de l’épaisseur de couverture géologique permettant la mise en place de l’exokarst a pour but de comprendre l’extension du liseré karstique en Montagne de Reims (Jaillet, 2005). Dans le massif étudié, la couverture géologique correspond à toutes les formations qui se trouvent au-dessus des calcarénites à Microcodium. Cette épaisseur correspond donc au dénivelé entre le toit des calcarénites et chaque phénomène exokarstique.

26La carte « isopaque » est créée en croisant la carte géologique 1/50 000 de la Marne (BD-charm-50), les données issues des forages de la banque du sous-sol (BSS) disponible sur le portail info-terre (BRGM) et le MNT issu de la campagne LiDAR. La géométrie des formations géologiques et plus particulièrement le toit des calcarénites (Hc) est reconstituée par extrapolation des altitudes en affleurements (BD-Charm-50) et en forages (BSS) (fig. 7).

Fig. 7 - Méthodologie permettant de calculer l’élévation du toit des Calcarénites pour chaque formes exokarstiques et in fine de déduire l’épaisseur de couverture rendant impossible la mise en place de l’exokarst.
Fig. 7 - Methodology for calculating the elevation of the Calcarenite roof for each exokarst form and in fine to deduce the thickness of the cover making it impossible to set the exokarst.

Fig. 7 - Méthodologie permettant de calculer l’élévation du toit des Calcarénites pour chaque formes exokarstiques et in fine de déduire l’épaisseur de couverture rendant impossible la mise en place de l’exokarst.Fig. 7 - Methodology for calculating the elevation of the Calcarenite roof for each exokarst form and in fine to deduce the thickness of the cover making it impossible to set the exokarst.

A : plateau de Saint-Imoges ; B : plateau de Ville-en-Selve ; C : plateau de Saint-Basle. 1. Forage de la BSS ; 2. Calcarénites à Microcodium ; 3. Tracé de la coupe géologique schématique ; 4. Communes ; 5. Réseaux hydrographiques ; 6. Contours des plateaux de la Montagne de Reims ; 7. Topographie de la coupe ; 8. Surface interpolée du toit des calcarénites ; 9. Différence d’altitude entre le toit des calcarénites et l’altitude de la forme exokarstique ; 10. Forme exokarstique ; 11. Forage de la BSS.
A: Saint-Imoges plateau; B: Ville-en-Selve plateau; C: Saint-Basle plateau. 1. BSS drilling; 2. Microcodium calcarenites; 3. Outline of the schematic geological section; 4. Municipalities; 5. hydrographic networks; 6. contours of the Montagne de Reims plateaus; 7. Topography of the section; 8. Interpolated surface of the calcarenite roof; 9. Difference in altitude between the calcarenite roof and the altitude of the exokarstic form; 10. Exokarstic form; 11. BSS drilling.

27Chaque phénomène karstique est calé en altitude en fonction de son centroïde (Hk). L’épaisseur de couverture (Epc) correspond donc au dénivelé entre l’altitude du phénomène karstique et la topographie reconstituée du toit des calcarénites. L’approche statistique réalisée sur le liseré karstique permettra de déterminer le seuil d’épaisseur de couverture au-delà de laquelle la karstification ne s’opère plus. Lorsque Epc est supérieur à 0, les phénomènes karstiques s’inscrivent sur la couverture dans la couverture géologique (= karst couvert). À l’inverse, lorsque Epc est compris entre 0 et –25 m (puissance maximale des calcarénites), les phénomènes karstiques s’inscrivent au sein des calcarénites (= karst de contact lithostratigraphique). Enfin, si Epc à une valeur inférieure à –25 m, alors le karst se trouve dans la craie.

3.3.2.     Analyse de la relation exokarst/incision des vallées

28L’objectif ici est d’étudier deux facteurs de la karstification liés aux réseaux d’incision des vallées. En effet, la hiérarchisation des vallons conditionne non seulement l’énergie hydrodynamique disponible pour la karstification (Quinif, 1983), mais également l’occurrence d’affleurements karstifiables (calcarénites à Microcodium). Pour réaliser l’étude entre l’exokarst et l’incision des vallées, nous avons croisé l’inventaire exokarstique et les réseaux de talwegs hiérarchisés selon Strahler (Strahler, 1952). Le MNT d’une résolution de 25 m, a été converti sous QGIS en isolignes permettant la vectorisation des talwegs. Un ordre est attribué à chaque tronçon de talweg selon la méthode de Strahler. Les talwegs en tête de vallon sont d’ordre 1. Un talweg qui succède à la confluence de deux vallons d’ordre n est numéroté n+1 et la confluence d’un vallon d’ordre n avec un vallon d’ordre n+1 donne un vallon d’ordre n. La fusion de la base de données sur les réseaux de talwegs et l’exokarst consiste à attribuer à chaque forme exokarstique la valeur du talweg dans lequel elle s’installe.

29L’approche statistique permet de connaître la représentativité de chaque ordre de talweg dans la karstification. Puis une approche spatiale est organisée selon des fuseaux de longitude de 1 000 m de large, numérotés d’ouest en est sur le versant septentrional de la Montagne de Reims (fuseaux de 0 à 21) puis d’est en ouest sur le versant sud (fuseaux 23 à 43).

3.3.3. Analyse de la relation exokarst/mouvement de terrain

30La discontinuité du liseré karstique s’explique également par la dynamique de versant essentiellement représentée en Montagne de Reims par les mouvements de terrain (Bollot, 2014 ; Ortonovi et Bollot, 2019) et dont l’interaction avec le karst est démontrée localement (Lejeune, 2001). Deux bases de données sont utilisées, d’une part l’inventaire des mouvements de terrains de (Bollot, 2014) et d’autre part, celui de l’exokarst (Berthe et al., 2021). Pour cela dans chaque fuseau, l’emprise des mouvements de terrain est calculée (en km²), un effectif de phénomènes exokarstiques est déterminé pour proposer des indices de densité correspondant aux valeurs ramenées au linéaire de versants.

4. Résultats

4.1. L’inventaire des formes exokarstiques : une discontinuité à deux échelles

31L’inventaire réalisé grâce au traitement des images LiDAR révèle un liseré karstique discontinu et étroit de 755 formes exokarstiques parmi 10 000 dépressions fermées significatives (fig. 8).

Fig. 8 - Répartition de l’exokarst en Montagne de Reims.
Fig. 8 - Distribution of the exokarst in the Montagne de Reims.

Fig. 8 - Répartition de l’exokarst en Montagne de Reims.Fig. 8 - Distribution of the exokarst in the Montagne de Reims.

1. Exokarst ; 2. Limite de l’extension occidentale des calcarénites détectées par les forages de la BSS ; 3. Calcarénites à Microcodium du Thanétien ; 4. Sables marins du Thanétien (Sables de Bracheux).
1. Exokarst; 2. Extension of calcarenites detected by BSS drilling; 3. Microcodium calcarenite of the Thanetian; 4. Marine sands of the Thanetian (Sables de Bracheux).

32À l’échelle régionale, elles sont peu présentes sur le versant nord de la Montagne de Reims (12), mais sont nombreuses à l’est (122), le long du front de la cuesta (entre Verzy et Trépail) et encore davantage dans les vallées de la Livre, de la Germaine et de la Lingonne (616). Le liseré karstique se trouve systématiquement à des altitudes comprises entre 230 et 240 m d’altitude où affleurent les calcarénites à Microcodium qui forment, notamment sur le front de côte en amont pendage, des replats structuraux sur lesquels le karst peut se développer. La relation entre la présence des formes exokarstiques et la structure est d’autant plus marquée que la limite ouest de la karstification correspond à la limite d’extension latérale des calcarénites à Microcodium, qui s’arrêtent à l’axe entre Villers-Allerand et Aÿ-Champagne. A l’ouest de la Montagne de Reims, le Thanétien présente en effet des faciès marins de sables siliceux qui ne permettent plus la karstogenèse. À l’échelle locale, la discontinuité du liseré semble dépendre des dynamiques d’écoulement (ordination des réseaux de talweg, gradient hydraulique).

4.2. Relation exokarst/incision des vallées : un facteur majoritaire de la répartition régionale

33L’organisation spatiale de l’exokarst dépend de l’ordination des réseaux de talwegs remarquablement bien hiérarchisés selon Strahler (fig. 9A), avec une prédominance notable d’exokarsts inscrits dans des talwegs d’ordre 1 (fig. 9B). A ce titre, le karst de la Montagne de Reims se range parmi les karsts de vallons karstiques, avec un vallon drainé par un réseau endoréique et un alignement symétrique du liseré sur les versants (Jaillet, 2005).

34La répartition spatiale des phénomènes exokarstiques selon les fuseaux, du versant nord, d’ouest en est (fuseau 0 à 21) au versant sud, d’est en ouest (fuseau 22 à 43) est globalement symétrique (fig. 9C), ce qui duplique l’organisation régionale de la karstification liée aux calcarénites. En revanche, on constate une opposition entre les deux versants, à la fois par ses effectifs, mais surtout par l’ordination des vallons karstiques.

35Le versant nord, correspondant au front de la côte d’Ile de France, est peu incisé et festonné par une série de rentrants en forme d’amphithéâtre de taille kilométrique appelées localement « Cuves ». Il est moins affecté par la karstification (fig. 9A) car il regroupe 17,6 % des phénomènes des fuseaux 0 à 21 (fig. 9C). Ces derniers s’inscrivent exclusivement en tête de vallon d’ordre 1, tributaires des vallons affluents de rive gauche de la Vesle, majoritairement à sec, car hérités du Quaternaire et sculptés dans la craie. Sur ce versant, le karst reste perché, mais éloigné du niveau de base pérenne (4 à 7 km) ce qui détermine une faible énergie hydrodynamique à la karstification. Ces vallons principalement anaclinaux, naissent au fond des “Cuves” où l’exokarst sert d’exutoire à des réseaux endoréiques. Mais leurs bassins versants restent restreints car ils se limitent au front de côte. Cela s’observe particulièrement dans la terminaison orientale du plateau de Saint-Basle où trois groupes de phénomènes exokarstiques appartiennent à des systèmes karstiques reconnus (Pleureuse, Verzy, Trépail). Le bassin versant, drainé par ces ordres 1, du versant nord constitue 29,8 % de la surface du plateau, mais seulement 4,7 % de celui-ci alimente les systèmes karstiques compris entre Verzy et Trépail.

36Le versant sud (des fuseaux 22 au 43) est incontestablement plus karstifié (82,4 % des phénomènes) avec un réseau de talweg bien hiérarchisé et dendritique (ordres 1 à 5) qui découpe le revers de la cuesta en trois plateaux (fig. 9A). Tributaire de la Marne toute proche (2 à 11 km), ce réseau, principalement cataclinal, est drainé par des cours d’eau pérennes plus proches (2 à 4 km). Le karst se développe encore dans des vallons d’ordre 1 mais aussi dans des vallons d’ordres 2 à 3, surtout dans les fuseaux 24, 25, 26, 28 et 34, ce qui lui confère davantage d’énergie hydrodynamique (fig. 9C). En effet, la surface des bassins versants alimentant ce réseau de talwegs constitue 70,2 % du plateau, drapé des argiles à meulières dont 18,2 % de cette surface est drainé vers l’exokarst. Cette énergie est exacerbée par la proximité des niveaux de base pérennes (Livre, Germaine, Lingonne) et des gradients hydrauliques importants. Cette incision de la couverture cénozoïque multiplie également les affleurements des calcarénites dans les fuseaux du versant sud, ce qui se traduit par des fortes densités des phénomènes exokarstiques, contrastant beaucoup avec le versant septentrional.

Fig. 9 - Répartition des formes exokarstiques au sein des vallons en Montagne de Reims.
Fig. 9 - Distribution of exokarstic forms in the valleys of the Montagne de Reims.

Fig. 9 - Répartition des formes exokarstiques au sein des vallons en Montagne de Reims.Fig. 9 - Distribution of exokarstic forms in the valleys of the Montagne de Reims.

A : Cartographie de la répartition des formes exokarstiques au sein des vallons en Montagne de Reims ordonnées selon la méthode de Strahler ; B : Répartition des formes exokarstiques au sein des vallons en Montagne de Reims ordonnées selon la méthode de Strahler ; C : Répartition des formes exokarstiques au sein des vallons en Montagne de Reims ordonnées selon la méthode de Strahler et par fuseaux de longitudes. 1. Vallon/karst d’ordre 1 ; 2. Vallon/karst d’ordre 2 ; 3. Vallon/karst d’ordre 3 ; 4. Vallon/karst d’ordre 4 ; 5. Vallon/karst d’ordre 5 ; 6. Formes exokarstiques.
A: Map of the distribution of exokarst forms within the valleys in the Montagne de Reims ordered according to the Strahler method; B: Distribution of the exokarst forms within the valleys of the Reims Mountain ordered according to the Strahler method; C: Distribution of the exokarst forms within the valleys of the Reims Mountain ordered according to the Strahler method and by longitude spindles. 1. Valley/karst of order 1; 2. Valley/karst of order 2; 3. Valley/karst of order 3; 4. Valley/karst of order 4; 5. Vallon/karst of order 5 ; 6. Exokarstic forms.

4.3. Étude sur l’épaisseur de couverture

37L'étude de la distribution statistique d’épaisseur de couverture (Epc) pour chaque phénomène exokarstique montre que l’immense majorité de ces formes (98 %) se développe sous 25 m de couverture. Au-delà, cette dernière est trop épaisse pour que les dolines puissent apparaître. La distribution est bimodale avec un mode principal compris entre 0 et 10 m (fig. 10), correspondant à des formes inscrites dans les argiles de l’Yprésien (67,5 % de l’effectif total), manifestement lié à du soutirage et à de la suffosion de l’endokarst développé dans les calcarénites sous-jacentes. Le pic secondaire est peu représentatif car il concerne 4 % de l’effectif total des dépressions inscrites dans la craie campanienne.

Fig. 10 - Nombre de formes exokarstiques par lithologie et par épaisseur de couverture supra-thanétienne.
Fig. 10 - Number of exokarst forms by lithology and thickness of supra-thanetian cover.

Fig. 10 - Nombre de formes exokarstiques par lithologie et par épaisseur de couverture supra-thanétienne.Fig. 10 - Number of exokarst forms by lithology and thickness of supra-thanetian cover.

1. Craie (Campanien) ; 2. Calcarénite à Microcodium (Thanétien) ; 3. Argile et sables à lignite (Yprésien) ; 4. Alternance de formations argilo-sableuses (Cénozoïque) ; 5. Limons des plateaux (Quaternaire) ; 6. Courbe cumulée du nombre de formes exokarstiques d’une épaisseur de couverture tertiaire nulle jusqu’à une couverture supérieure à 40 m ; 7. Seuil de 98 % sur la courbe cumulée à l’aplomb de l’épaisseur de couverture 20 à 25 m.
1. Chalk (Campanian); 2. Microcodium calcarenite (Thanetian); 3. Clay and lignite sands (Ypresian); 4. Alternating sandy-clay formations (Cenozoic); 5. Upland silts (Quaternary); 6. Cumulative curve of the number of exokarst forms from zero Tertiary cover to cover greater than 40 m; 7. 98% threshold on the cumulative curve at cover thickness 20 to 25 m.

4.4. Étude sur la relation mouvement de terrain et exokarst

38La répartition spatiale des formes exokarstiques est également corrélée à la présence de nombreux mouvements de terrain de la Montagne de Reims. Six secteurs bien distincts, montrant des cohabitations différenciées, sont ainsi révélés (fig. 11).

Fig. 11 - Répartition le long du point kilométrique longitudinal du nombre de formes exokarstiques et de la surface de mouvement de terrain pondéré par la longueur de côte d’altitude 230 m.
Fig. 11 - Distribution along the longitudinal kilometre point of the number of exokarst forms and the area of ground motion weighted by the length of coastline of elevation 230 m.

Fig. 11 - Répartition le long du point kilométrique longitudinal du nombre de formes exokarstiques et de la surface de mouvement de terrain pondéré par la longueur de côte d’altitude 230 m.Fig. 11 - Distribution along the longitudinal kilometre point of the number of exokarst forms and the area of ground motion weighted by the length of coastline of elevation 230 m.

1. Densité d’exokarst pondéré par la longueur de versant par km ; 2. Surface de mouvements de terrain pondérés par la longueur de versant en km.
1. Exokarst density weighted by hillside length per km; 2. Land movement area weighted by hillside length in km.

39Des fuseaux 0 à 7 (secteur 1, nord-ouest), le karst est absent en dehors de l’extension des calcarénites à Microcodium (fig. 8), et le front de côte est principalement affecté par la présence de cuves semi-circulaires ou doubles (Ortonovi et al., 2021). La morphogenèse de ces cuves, héritées, explique également l’absence de mouvements de terrain importants. Sur le versant nord de la Montagne de Reims, entre les fuseaux 8 et 17 (secteur 2), des mouvements de terrain rotationnels et profonds sont présents (valeur supérieure à 250 unités). Dépassant régulièrement 20 m de profondeur comme à Rilly-la-Montagne (Marre, 1987), ces mouvements sont systématiquement positionnés en tête de vallon (i.e., instabilités synchrones au fonctionnement de ces vallons secs) (Bollot, 2014). Dans ce secteur, très peu de formes exokarstiques apparaissent, malgré la présence des calcarénites. Si elles existent, elles ont certainement été obstruées par ces imposants mouvements de terrain. 

40Les formes exokarstiques sont surtout présentes entre les fuseaux 18 et 31 (secteur 3, plateaux de Saint-Basle et partie orientale du plateau de Ville en Selves) où les conditions de karstogenèse sont optimales (secteur à calcarénites). En revanche, les faibles épaisseurs de formations cénozoïques ne permettent pas le développement de mouvements de terrain notables. Ces derniers affectent de nouveau les versants de la Montagne de Reims au niveau des vallées de la Germaine et de la Lingonne, entre les fuseaux 31 et 35. Dans ce secteur 5, les mouvements de terrain et les formes exokarstiques abondent (fig. 12). Dans la vallée de la Lingonne, la répartition spatiale des deux phénomènes suggère une relation complexe : l’exokarst des calcarénites à Microcodium, présent à mi-versant, est obstrué par des mouvements de terrain profond dont les fronts de coulée sont soutirés par l’exokarst de la craie en fond de vallée, assurant localement une déstabilisation continue de la masse glissée.

Fig. 12 - A. Carte géomorphologique de la vallée de la Lingonne B. Ombrage multispectral de la vallée de la Lingonne.
Fig. 12 - A. Geomorphic map of the Lingonne Valley B. Multispectral shading of the Lingonne Valley.

Fig. 12 - A. Carte géomorphologique de la vallée de la Lingonne B. Ombrage multispectral de la vallée de la Lingonne.Fig. 12 - A. Geomorphic map of the Lingonne Valley B. Multispectral shading of the Lingonne Valley.

1. Limons des plateaux (Quaternaire) ; 2. Alternance de formation agilo-sableuse (Cénozoïque) ; 3. Argile et sables à lignite (Yprésien) ; 4. Calcarénite à Microcodium (Thanétien) ; 5. Craie (Campanien) ; 6. Masse glissée ; 7. Réseau hydrographique ; 8. Chenal ; 9 (rouge) exokarst de la calcarénite à Microcodium, (vert) exokarst de la craie ; 10. Replats ; 11. Replat de mouvement ; 12. Glacis ; 13. Versant réglé ; 14. Coulée ; 15. Escarpement de tête inférieur à 5 m ; 16. Escarpement de tête inférieur à 10 m ; 17. Escarpement de tête supérieur à 10 m.
1. Upland silts (Quaternary); 2. Alternating sandy-agricultural formations (Cenozoic); 3. Clay and lignite sands (Ypresian); 4. Microcodium calcarenite (Thanetian); 5. Chalk (Campanian); 6. Channel; 9. (red) Microcodium calcarenite exokarst (green) Chalk exokarst; 10. Folds; 11. Movement replat; 12. Glacis; 13. Settled slope; 14. Flow; 15. Head scarp less than 5 m; 16. Head scarp less than 10 m; 17. Head scarp greater than 10 m.

41Enfin, au sud-ouest de la Montagne de Reims, secteur 6 (fuseaux 36 à 43), la limite ouest des calcarénites à Microcodium est dépassée et explique l’absence de l’exokarst. En revanche, la morphologie des versants et la présence de nombreuses formations argileuses engendrent des mouvements de terrain rotationnels et profonds qui affectent en quasi-continuité les versants de la vallée de la Marne. Si l’exokarst est intimement lié à la présence des calcarénites à Microcodium, les mouvements de terrain dépendent quant à eux de nombreux facteurs locaux (épaisseur du Cénozoïque, présence/absence du replat des calcarénites, pente, etc.).

5. Discussion

42La méthode proposée de discrimination de 755 dépressions exokarstiques parmi près de 10 000 dépressions significatives pour la plupart anthropiques, semble satisfaisante. En effet, l’approche LiDAR permet de détecter davantage de formes (+72 %) que les inventaires de terrains préalables et de cibler les secteurs karstifiés où le repérage de nouveaux phénomènes est facilité (+18 %) (Berthe et al., 2021). Ces derniers montrent que la principale limite de la méthode est la résolution du MNT, qui ne permet pas d'apprécier l'emboîtement des formes, ni de caractériser les dépressions inférieures à 3 m de diamètre. Toutefois, elle permet d'avoir une vision sur les 2/3 de forêts privées inaccessibles jusqu'à présent, ce qui augmente considérablement la connaissance du karst sur le secteur d'étude. Les méthodes de détection automatique de l’exokarst en forêt (Zhu et Pierskalla, 2016) ou dans les milieux difficilement accessibles (Ghanem et Doumit, 2021) ne permettent pas de discriminer les dépressions karstiques des dépressions anthropiques (polémoformes, carrières, structures archéologiques), à l’inverse de la méthode proposée dans cette contribution.

43La méthode ayant pour objectif d’expliquer la discontinuité du liseré karstique est basée sur une analyse multicritère utilisant les facteurs favorables ou défavorables à la karstification. La discontinuité régionale du liseré s’explique principalement par la présence des calcarénites qui entretiennent l’étagement du karst et concentrent les écoulements dans la zone vadose de l’aquifère crayeux. À l’image du karst du Barrois (Bensaadi, 2020) et des karsts de bas plateaux (Rodet, 1992 ; Losson, 2003), la karstification en Montagne de Reims est inféodée à la concentration des écoulements liée aux contrastes de perméabilité à l’étagement des aquifères et à l’incision quaternaire du réseau hydrographique (vallons karstiques). Par une approche statistique l’épaisseur de couverture géologique maximale favorable à la karstification a été définie à 25 m, comme observée dans le Barrois (Jaillet, 2005). A ce titre la répartition spatiale de l’exokarst dépend de sa situation dans le dispositif de cuesta. Sur les revers, le front de karstification a davantage d’espace pour s’exprimer alors qu’il est très limité sur les fronts de côte comme en Montagne de Reims (Lejeune et Devos, 2001).

44À l’échelle locale, les relations entre la karstification et les dynamiques de versant, en particulier les mouvements de terrain, sont complexes. Ces derniers interrompent le liseré karstique en modifiant les conditions d’écoulements (i.e., déplacement des lignes de sources, création d’un impluvium) (Bollot, 2015), et en déstructurant les versants. En déplaçant le contraste de perméabilité initialement structural, au front de coulée, ils suppriment l’étagement de la karstification et redistribuent les écoulements directement vers la craie. Si les interactions entre les dynamiques karstiques et les dynamiques de versant sont observées ailleurs, notamment dans l’est de la France en Woëvre septentrionale (Sary, 1984 ; Gamez, 1992 ; Mazaeva et al., 2018), en Montagne de Reims elles semblent particulièrement présentes. Les mouvements de terrain sont profonds avec des glissements rotationnels (Ortonovi et Bollot., 2019) qui détruisent l’agencement structural favorable à la karstification, ce qui interrompt le liseré karstique ou le déplace en limite du front de coulée terminale. D’autres mouvements de terrain moins profonds feutrent les versants dont l’activité karstique dépend de l’épaisseur de la coulée. Lorsque cette dernière est inférieure à 25 m, le karst se manifeste encore sous la forme de doline de soutirage et de suffosion.

45Cela soulève le problème de la temporalité du karst et de la karstogenèse illustré dans la vallée de la Lingonne (fig. 12). La karstification repose essentiellement sur les contrastes de perméabilité des formations géologiques et l’étagement des écoulements. Elle ne peut s’effectuer qu’en stade interglaciaire et plus précisément lors des phases ana- ou cataglaciaire durant lesquels le prélèvement évapotranspiratoire est moindre qu’aujourd’hui (Lejeune, 2005). La karstification est d’autant plus active en Montagne de Reims parce qu’elle s’inscrit dans des vallons où le recul régressif du permafrost s’exerce davantage (Devos, 2010). La karstification affectant à la fois les calcarénites et la craie est soit synchrone, soit héritée du recul de la couverture géologique assisté par les écoulements karstiques. Cette évolution est d’autant plus complexe, qu’elle semble polyphasée car les profils transversaux des conduits endokarstiques reconnus spéléologiquement témoignent de phases syngénétique et paragénétique (Harmand et al., 2017). L’étagement des réseaux endokarstiques montrent que la karstification est intimement liée à l’incision des vallées (Harmand et al., 2017) et au dégagement de la cuesta.

6. Conclusion

46Le LiDAR est incontestablement un outil privilégié pour spatialiser les phénomènes karstiques de surface, notamment en domaine forestier privé à fort morcellement foncier, donc difficile d’accès, comme en Montagne de Reims. Mais la cartographie de l’exokarst nécessite non seulement une bonne résolution lors de l’acquisition durant la mission aérienne mais surtout un lourd traitement semi-automatique sous SIG, complété par des reconnaissances de terrain au niveau de plusieurs secteurs témoins.

47L’organisation spatiale du liseré karstique de la Montagne de Reims présente une double discontinuité à la fois régionale et locale. À l’échelle régionale, le cadre morphostructural pourtant manifestement uniforme, cache de fortes variations latérales de faciès, héritées des conditions de dépôt du Paléocène. La karstification se limite à l’existence des calcarénites à Microcodium dans la formation du Thanétien. Ces dernières, karstifiables et présentes principalement sur la terminaison orientale de la Montagne de Reims, calent un exokarst alimentant des systèmes karstiques qui concentrent les écoulements vers le karst de la craie. L’épaisseur de la couverture géologique, croissante en aval pendage, limite également la karstification des calcarénites et de la craie vers l’ouest.

48À l’échelle locale, le karst est inféodé au réseau de talweg avec une opposition nord-sud évidente. Le versant nord de la Montagne de Reims correspondant au front de la côte d’Ile-de-France à peine festonné, est moins karstifié que le versant sud. Ce dernier, en position cataclinale et découpé par un réseau hydrographique bien hiérarchisé et incisé, qui lui confère la multiplication des affleurements des calcarénites, des niveaux de base locaux, de forts gradients hydrauliques et un cloisonnement de l’espace. Cela multiplie les potentialités à l’installation des systèmes karstiques restreints, mais plus nombreux, dans les calcarénites, ce qui favorise la concentration des écoulements vers l’endokarst de la craie. Enfin, localement, le liseré karstique est interrompu par de nombreux mouvements de terrain sur le versant sud.

49L’approche spatiale de l’exokarst en Montagne de Reims présente de multiples applications pour la cartographie de la vulnérabilité de l’aquifère de la craie, dans le cadre d’analyses multicritère à index sous SIG (EPIK, RISKE, DISCO, etc.) surtout à proximité des agglomérations rémoise et sparnacienne. Elle peut également être utilisée pour la caractérisation des habitats, sur un territoire à forts enjeux patrimoniaux et environnementaux (PNR-MR, ZNIEFF, RNB, Fodex, UNESCO).

50Enfin, la méthodologie développée dans cet article est opérationnelle dans des milieux fortement anthropisés ou les formes exokarstiques se mêlent à des formes morphologiquement proches mais liées à l’Homme. Ainsi, les travaux menés en lidar archéologique, notamment dans le Grand-Est, semblent présenter une opportunité de détection des formes karstiques lorsqu’elles s’inscrivent en milieux carbonaté (Georges-Leroy, 2022).

* auteur correspondant : Tel : +33 (0)3 26 91 39 91
julien.berthe@univ-reims.fr (Julien Berthe)

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Bibliographie

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Bollot N. (2014) - Les mouvements de terrain du vignoble champenois : approche géomorphologique et hydrologique. Thèse de doctorat, Université de Reims Champagne-Ardenne, 343 p.

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Annexe

Abridged English Version

The study of the karstification of the low limestone plateaus of eastern France highlights karsts under the forest of the covered karst type or of the litho-stratigraphic contact karst type at the limit of the extension of the geological cover. The knowledge of the spatial distribution of the exokarst detected thanks to the field inventories is difficult in private forests because of the difficulties of access of these spaces. This is the case of the Montagne de Reims, whose plateau is composed of a complex assemblage of 33% state and communal forests and 66% private forests. It is a space with strong heritage issues (Regional Natural Park (PNR), Forest of Exception®, Biological Reserves, UNESCO inscription).

During the winter of 2017-2018 a LiDAR campaign was conducted for the ONF and the PNR Montagne de Reims (fig. 1). The product of this campaign is a high resolution DTM. It allows the detection of natural and anthropic morphologies in this forest context with heavy historical legacies (archaeological structures, geomaterials extraction, polemological landscapes).

The semi-automatic processing of the LiDAR image via standardized treatments such as local model relief, multidirectional shading and the creation and sorting of isolines allowed the detection of 10,000 closed depressions. These depressions were processed using a multi-criteria approach under GIS based on morphological, environmental and bibliographic indices, allowing the discrimination of more than 750 karst depressions (fig. 5).

The first observations of the exokarst showed a distribution of shapes along a narrow and discontinuous border (fig. 8). On the front of the coast, up-dip, where it occupies mainly structural flats while on the reverse, it is inscribed in valleys where the dynamics of infiltration (at the head of the talweg) and withdrawal (on the slopes) dominate (fig. 9).

Various studies on the relationship between exokarst and valley incision, on the role of variations in the thickness of the Tertiary cover and on the close links between exokarst and land movements have been carried out in order to explain this spatial distribution (fig. 11).

This has shown that the spatial organization of the karst belt of the Montagne de Reims presents a double discontinuity, both regional and local. On a regional scale, the morphostructural framework, although obviously uniform, hides strong lateral variations of facies inherited from the depositional conditions of the Paleocene. Karstification is limited to the existence of Microcodium calcarenites in the Thanetian formation. The latter, karstifiable and present mainly on the eastern terminus of the Montagne de Reims, form an exokarst feeding karstic systems that concentrate the flows towards the chalk karst. The thickness of the geological cover, which increases with the dip, also limits the karstification of the calcarenites and the chalk towards the west.

On a local scale, the karst is related to the talweg network with an obvious north-south opposition. The northern slope of the Montagne de Reims, corresponding to the front of the Ile-de-France coast, is less karstified than the southern slope. The latter is cut by a well hierarchical and incised hydrographic network giving it a multiplicity of outcrops of calcarenites, local base levels, strong hydraulic gradients and a partitioning of the space. This multiplies the potential for the installation of restricted, but more numerous, karstic systems in the calcarenites, which favors the concentration of flows towards the chalk endokarst. Finally, locally, the karstic border is interrupted by numerous land movements on the southern slope (fig. 12).

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Table des illustrations

Titre Fig. 1 - Carte de localisation du secteur d’étude.Fig. 1 - Map of the study area.
Légende A : plateau de Saint-Imoges ; B : plateau de Ville-en-Selve ; C : plateau de Saint-Basle. 1. Emprise du PNR Montagne de Reims ; 2. Emprise de la campagne LiDAR ; 3. Communes ; 4. Plateaux ; 5. Réseau hydrographique.A: Saint-Imoges plateau; B: Ville-en-Selve plateau; C: Saint-Basle plateau. 1. Area of the PNR Montagne de Reims; 2. Extent of the LiDAR campaign; 3. Communes; 4. Plateaux ; 5. Hydrographic network.
URL http://journals.openedition.org/geomorphologie/docannexe/image/16829/img-1.jpg
Fichier image/jpeg, 782k
Titre Fig. 2 - Coupe schématique du fonctionnement du karst de la Montagne de Reims.Fig. 2 - Schematic section of the karst of the Montagne de Reims.
Légende 1. Limons des plateaux (Quaternaire) ; 2. Formations argilo-calcaires-sableuses (Cénozoïque) ; 3. Argile et sables à lignite (Yprésien) ; 4. Calcarénites à Micocodium (Thanétien) ; 5. Craie (Campanien) ; 6. Exokarst ; 7. Endokarst ; 8. Source ; 9. Ruissellement ; 10. Infiltration.1. Plateau silts (Quaternary); 2. Clay-limestone-sand formations (Cenozoic); 3. Clay and sand with lignite (Ypresian); 4. Micocodium calcarenites (Thanetian); 5. Chalk (Campanian); 6. Exokarst; 7. Endokarst; 8. Spring; 9. Runoff; 10. Seepage.
URL http://journals.openedition.org/geomorphologie/docannexe/image/16829/img-2.jpg
Fichier image/jpeg, 192k
Titre Fig. 3 - Exemple de formes karstique en Montagne de Reims.Fig. 3 - Example of karstic forms in the Montagne de Reims.
Légende A : Dolines, au centre de l’image le gouffre de la Fosse Martin-Godard (Berthe et al., 2021) ; B : Trou de serrure du collecteur principal de la grande fontaine de Verzy (Pettelat, 2021).A: Dolines, in the center of the picture the abyss of the Fosse Martin-Godard (Berthe et al., 2021); B: Keyhole of the main collector of the grande fontaine de Verzy (Pettelat, 2021).
URL http://journals.openedition.org/geomorphologie/docannexe/image/16829/img-3.jpg
Fichier image/jpeg, 475k
Titre Tab. 1 - Paramètres du LiDAR d’après Méchin, 2018 et David, 2019.Tab. 1 - LiDAR parameters from Méchin, 2018 and David, 2019.
URL http://journals.openedition.org/geomorphologie/docannexe/image/16829/img-4.jpg
Fichier image/jpeg, 170k
Titre Fig. 4 - Exemple du Gouffre du Renard.Fig. 4 - Example of the Gouffre du Renard.
Légende A : Photographie Gouffre du Renard, vallée de la Lingonne (Berthe et al., 2021) ; B : Image LiDAR du Gouffre du Renard (Ombrage multi-directionnel).A: Photograph of Gouffre du Renard, Lingonne Valley (Berthe et al., 2021); B: LiDAR image of the Gouffre du Renard (multi-directional shading). 
URL http://journals.openedition.org/geomorphologie/docannexe/image/16829/img-5.jpg
Fichier image/jpeg, 269k
Titre Fig. 5 - Planche de diverses exploitations du LiDAR.Fig. 5 - Plot of various LiDAR operations.
Légende A : Modèle numérique de terrain brut d’une résolution de 50 cm ; B : Modèle de Relief Local ; C : Isoligne d’une longueur de 10 à 300 m équidistance de 10 cm ; D : Ombrage multi directionnel ; E : Dépressions fermées d’un diamètre supérieur à 3 m et de 30 cm de profondeur ; F : Digues ; G : Système karstique de la fosse Martin-Godard ; G1 : Cartographie extraite de la bibliographie ; G2 : Ombrage multi directionnel du secteur ; H : BD-Charm-50 du BRGM ; I : Sky-view-factor ; J : Ombrage multidirectionnel sur différentes morphologies en Montagne de Reims ; J1 : Trous de bombes ; J2 : Batterie d'artillerie ; J3 : Fosses d’extraction de meulières ; J4 : Dolines ; K. Profil topographique d’une doline ; L : Exemple de dolines-pertes ; M : Profil topographique d’un versant présentant un exokarst en vert et le replat structural des calcarénites à Microcodium en orange ; N : Différents agencements de dépressions fermées significatives ; N1 : Alignement de fosses d’extraction ; N2 : Vallon karstique ; O : Dolines détectées dans l’inventaire. A: Raw digital terrain model with a resolution of 50 cm; B: Local Relief Model; C: Isoline with a length of 10 to 300 m and an equidistance of 10 cm; D: Multi-directional shading; E: Closed depressions with a diameter greater than 3 m and a depth of 30 cm; F: Dikes; G: Martin-Godard karst system; G1: Cartography extracted from the bibliography; G2: Multi-directional shading of the area; H: BD-Charm-50 of BRGM; I: Sky-view-factor; J: Multidirectional shading on different morphologies in Montagne de Reims; J1: Bomb holes ; J2: Artillery battery; J3: Extraction pits of millstones; J4: Dolines; K: Topographic profile of a doline; L: Example of sinkholes; M: Topographic profile of a slope showing an exokarst in green and the structural fold of Microcodium calcarenites in orange; N: Different arrangements of significant closed depressions; N1: Alignment of extraction pits; N2: Karst valley; O: Dolines detected in the inventory.
URL http://journals.openedition.org/geomorphologie/docannexe/image/16829/img-6.jpg
Fichier image/jpeg, 1016k
Titre Fig. 6 - Zonage longitudinal de la Montagne de Reims. Fig. 6 - Longitudinal zoning of the Montagne de Reims.
Légende 1. Isoligne 230 m servant à pondérer la longueur de versant ; 2. Exokarst ; 3. Mouvement de terrain ; 4. Cellule de 1 000 m de longitude du bassin versant de la Vesle ; 5. Cellule de 1 000 m de longitude du bassin versant de la Marne.1. Isoline 230 m used to weight the length of the slope; 2. Exokarst; 3. Land movement; 4. 1,000 m longitude cell of the Vesle watershed; 5. 1,000 m longitude cell of the Marne catchment area.
URL http://journals.openedition.org/geomorphologie/docannexe/image/16829/img-7.jpg
Fichier image/jpeg, 199k
Titre Fig. 7 - Méthodologie permettant de calculer l’élévation du toit des Calcarénites pour chaque formes exokarstiques et in fine de déduire l’épaisseur de couverture rendant impossible la mise en place de l’exokarst.Fig. 7 - Methodology for calculating the elevation of the Calcarenite roof for each exokarst form and in fine to deduce the thickness of the cover making it impossible to set the exokarst.
Légende A : plateau de Saint-Imoges ; B : plateau de Ville-en-Selve ; C : plateau de Saint-Basle. 1. Forage de la BSS ; 2. Calcarénites à Microcodium ; 3. Tracé de la coupe géologique schématique ; 4. Communes ; 5. Réseaux hydrographiques ; 6. Contours des plateaux de la Montagne de Reims ; 7. Topographie de la coupe ; 8. Surface interpolée du toit des calcarénites ; 9. Différence d’altitude entre le toit des calcarénites et l’altitude de la forme exokarstique ; 10. Forme exokarstique ; 11. Forage de la BSS.A: Saint-Imoges plateau; B: Ville-en-Selve plateau; C: Saint-Basle plateau. 1. BSS drilling; 2. Microcodium calcarenites; 3. Outline of the schematic geological section; 4. Municipalities; 5. hydrographic networks; 6. contours of the Montagne de Reims plateaus; 7. Topography of the section; 8. Interpolated surface of the calcarenite roof; 9. Difference in altitude between the calcarenite roof and the altitude of the exokarstic form; 10. Exokarstic form; 11. BSS drilling.
URL http://journals.openedition.org/geomorphologie/docannexe/image/16829/img-8.jpg
Fichier image/jpeg, 235k
Titre Fig. 8 - Répartition de l’exokarst en Montagne de Reims.Fig. 8 - Distribution of the exokarst in the Montagne de Reims.
Légende 1. Exokarst ; 2. Limite de l’extension occidentale des calcarénites détectées par les forages de la BSS ; 3. Calcarénites à Microcodium du Thanétien ; 4. Sables marins du Thanétien (Sables de Bracheux).1. Exokarst; 2. Extension of calcarenites detected by BSS drilling; 3. Microcodium calcarenite of the Thanetian; 4. Marine sands of the Thanetian (Sables de Bracheux).
URL http://journals.openedition.org/geomorphologie/docannexe/image/16829/img-9.jpg
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Titre Fig. 9 - Répartition des formes exokarstiques au sein des vallons en Montagne de Reims.Fig. 9 - Distribution of exokarstic forms in the valleys of the Montagne de Reims.
Légende A : Cartographie de la répartition des formes exokarstiques au sein des vallons en Montagne de Reims ordonnées selon la méthode de Strahler ; B : Répartition des formes exokarstiques au sein des vallons en Montagne de Reims ordonnées selon la méthode de Strahler ; C : Répartition des formes exokarstiques au sein des vallons en Montagne de Reims ordonnées selon la méthode de Strahler et par fuseaux de longitudes. 1. Vallon/karst d’ordre 1 ; 2. Vallon/karst d’ordre 2 ; 3. Vallon/karst d’ordre 3 ; 4. Vallon/karst d’ordre 4 ; 5. Vallon/karst d’ordre 5 ; 6. Formes exokarstiques.A: Map of the distribution of exokarst forms within the valleys in the Montagne de Reims ordered according to the Strahler method; B: Distribution of the exokarst forms within the valleys of the Reims Mountain ordered according to the Strahler method; C: Distribution of the exokarst forms within the valleys of the Reims Mountain ordered according to the Strahler method and by longitude spindles. 1. Valley/karst of order 1; 2. Valley/karst of order 2; 3. Valley/karst of order 3; 4. Valley/karst of order 4; 5. Vallon/karst of order 5 ; 6. Exokarstic forms.
URL http://journals.openedition.org/geomorphologie/docannexe/image/16829/img-10.jpg
Fichier image/jpeg, 635k
Titre Fig. 10 - Nombre de formes exokarstiques par lithologie et par épaisseur de couverture supra-thanétienne.Fig. 10 - Number of exokarst forms by lithology and thickness of supra-thanetian cover.
Légende 1. Craie (Campanien) ; 2. Calcarénite à Microcodium (Thanétien) ; 3. Argile et sables à lignite (Yprésien) ; 4. Alternance de formations argilo-sableuses (Cénozoïque) ; 5. Limons des plateaux (Quaternaire) ; 6. Courbe cumulée du nombre de formes exokarstiques d’une épaisseur de couverture tertiaire nulle jusqu’à une couverture supérieure à 40 m ; 7. Seuil de 98 % sur la courbe cumulée à l’aplomb de l’épaisseur de couverture 20 à 25 m.1. Chalk (Campanian); 2. Microcodium calcarenite (Thanetian); 3. Clay and lignite sands (Ypresian); 4. Alternating sandy-clay formations (Cenozoic); 5. Upland silts (Quaternary); 6. Cumulative curve of the number of exokarst forms from zero Tertiary cover to cover greater than 40 m; 7. 98% threshold on the cumulative curve at cover thickness 20 to 25 m.
URL http://journals.openedition.org/geomorphologie/docannexe/image/16829/img-11.jpg
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Titre Fig. 11 - Répartition le long du point kilométrique longitudinal du nombre de formes exokarstiques et de la surface de mouvement de terrain pondéré par la longueur de côte d’altitude 230 m.Fig. 11 - Distribution along the longitudinal kilometre point of the number of exokarst forms and the area of ground motion weighted by the length of coastline of elevation 230 m.
Légende 1. Densité d’exokarst pondéré par la longueur de versant par km ; 2. Surface de mouvements de terrain pondérés par la longueur de versant en km.1. Exokarst density weighted by hillside length per km; 2. Land movement area weighted by hillside length in km.
URL http://journals.openedition.org/geomorphologie/docannexe/image/16829/img-12.jpg
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Titre Fig. 12 - A. Carte géomorphologique de la vallée de la Lingonne B. Ombrage multispectral de la vallée de la Lingonne.Fig. 12 - A. Geomorphic map of the Lingonne Valley B. Multispectral shading of the Lingonne Valley.
Légende 1. Limons des plateaux (Quaternaire) ; 2. Alternance de formation agilo-sableuse (Cénozoïque) ; 3. Argile et sables à lignite (Yprésien) ; 4. Calcarénite à Microcodium (Thanétien) ; 5. Craie (Campanien) ; 6. Masse glissée ; 7. Réseau hydrographique ; 8. Chenal ; 9 (rouge) exokarst de la calcarénite à Microcodium, (vert) exokarst de la craie ; 10. Replats ; 11. Replat de mouvement ; 12. Glacis ; 13. Versant réglé ; 14. Coulée ; 15. Escarpement de tête inférieur à 5 m ; 16. Escarpement de tête inférieur à 10 m ; 17. Escarpement de tête supérieur à 10 m.1. Upland silts (Quaternary); 2. Alternating sandy-agricultural formations (Cenozoic); 3. Clay and lignite sands (Ypresian); 4. Microcodium calcarenite (Thanetian); 5. Chalk (Campanian); 6. Channel; 9. (red) Microcodium calcarenite exokarst (green) Chalk exokarst; 10. Folds; 11. Movement replat; 12. Glacis; 13. Settled slope; 14. Flow; 15. Head scarp less than 5 m; 16. Head scarp less than 10 m; 17. Head scarp greater than 10 m.
URL http://journals.openedition.org/geomorphologie/docannexe/image/16829/img-13.jpg
Fichier image/jpeg, 533k
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Pour citer cet article

Référence papier

Julien Berthe, Alain Devos, Olivier Lejeune, Nicolas Bollot, Gilles Fronteau, Robin Perarnau et Sarah Ortonovi, « Apport du LiDAR aéroporté sur la compréhension des facteurs d’exokarstification en contexte de bas plateau, exemple de la Montagne de Reims (France) »Géomorphologie : relief, processus, environnement, vol. 28 - n° 4 | 2022, 207-221.

Référence électronique

Julien Berthe, Alain Devos, Olivier Lejeune, Nicolas Bollot, Gilles Fronteau, Robin Perarnau et Sarah Ortonovi, « Apport du LiDAR aéroporté sur la compréhension des facteurs d’exokarstification en contexte de bas plateau, exemple de la Montagne de Reims (France) »Géomorphologie : relief, processus, environnement [En ligne], vol. 28 - n° 4 | 2022, mis en ligne le 13 juin 2022, consulté le 22 mai 2024. URL : http://journals.openedition.org/geomorphologie/16829 ; DOI : https://doi.org/10.4000/geomorphologie.16829

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Auteurs

Julien Berthe

Université de Reims Champagne Ardenne, GEGENAA EA 3795, Centre de Recherche en
Environnement et Agronomie, 2 esplanade Roland Garros, 51100 Reims, France

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Alain Devos

Université de Reims Champagne-Ardenne, GEGENAA EA 3795, Centre de Recherche en
Environnement et Agronomie, 2 esplanade Roland Garros, 51100 Reims, France

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Olivier Lejeune

Université de Reims Champagne-Ardenne, GEGENAA EA 3795, Centre de Recherche en
Environnement et Agronomie, 2 esplanade Roland Garros, 51100 Reims, France

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Nicolas Bollot

Université de Reims Champagne-Ardenne, GEGENAA EA 3795, Centre de Recherche en
Environnement et Agronomie, 2 esplanade Roland Garros, 51100 Reims, France

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Gilles Fronteau

Université de Reims Champagne-Ardenne, GEGENAA EA 3795, Centre de Recherche en
Environnement et Agronomie, 2 esplanade Roland Garros, 51100 Reims, France

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Robin Perarnau

Université de Reims Champagne-Ardenne, GEGENAA EA 3795, Centre de Recherche en
Environnement et Agronomie, 2 esplanade Roland Garros, 51100 Reims, France

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Sarah Ortonovi

Université de Reims Champagne-Ardenne, GEGENAA EA 3795, Centre de Recherche en
Environnement et Agronomie, 2 esplanade Roland Garros, 51100 Reims, France

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