Pourquoi les stalactites grandissent-elles si lentement, sur des milliers d'années ?
– Une chimie vertigineuse où l'eau de pluie dissout la pierre, puis la reforme
En visitant une grotte, on voit des pierres pendre du plafond comme des glaçons, et d'autres jaillir du sol. Il arrive que le guide explique : « Celle-ci a mis 10 000 ans à se former. » Pourtant, qu'une pierre « pousse » est étrange : d'ordinaire, la roche s'use et s'érode.
Lors d'une visite de grotte, vous levez les yeux vers une pierre en forme de glaçon, suspendue au plafond. De sa pointe, une goutte tombe encore, puis une autre. Sur le sol, là où les gouttes atterrissent, une autre pierre s'élève à son tour, de bas en haut.
On dit que ces deux pierres finissent parfois par se rejoindre et former une seule colonne. Que signifie exactement qu'une pierre « grandit en s'accumulant » ?
Si la croissance est lente, c'est que deux réactions chimiques vont de pair
L'eau de pluie capte le dioxyde de carbone de l'air et devient très faiblement acide. En traversant les couches de calcaire, elle dissout la roche, très légèrement, au fil de son trajet.
Quand l'eau chargée de calcaire suinte dans la grotte, le dioxyde de carbone dissous s'échappe dans l'air. Le calcaire dissous réapparaît alors sous forme solide et s'accumule peu à peu.
« Dissoudre » et « solidifier » : deux réactions opposées qui se déroulent ensemble, l'une en surface, l'autre sous terre. Voilà ce qu'est une stalactite. Voyons cela pas à pas.
Raison 1 : sous terre, l'eau de pluie devient une « eau qui dissout la pierre »
L'eau de pluie est presque de l'eau pure. Mais en tombant et en traversant le sol, elle capte beaucoup plus de dioxyde de carbone que l'eau alentour, celui que produisent les micro-organismes du sol et des feuilles mortes. Chargée de ce gaz, l'eau devient très légèrement acide.
Les couches où se trouvent les grottes contiennent du calcaire. C'est une roche formée par l'accumulation, il y a très longtemps, de coquilles et de coraux ; son composant principal est le carbonate de calcium. Le calcaire ne se dissout presque pas dans l'eau ordinaire, mais il se dissout peu à peu dans une eau faiblement acide contenant du dioxyde de carbone.
Pendant son long trajet sous terre, l'eau de pluie ne cesse de dissoudre un peu de calcaire. C'est aussi ainsi que se creusent les cavités souterraines que sont les grottes.
Raison 2 : dans la grotte, le calcaire redevient pierre
L'eau qui a dissous du calcaire sur son chemin finit par atteindre la cavité de la grotte et pend au plafond sous forme de gouttes. C'est là qu'un changement décisif se produit.
L'air de la grotte contient moins de dioxyde de carbone que l'air du sol que l'eau vient de traverser. Le dioxyde de carbone dissous dans l'eau tend donc à s'échapper dans l'air de la grotte. Une fois ce gaz parti, l'eau ne peut plus garder le calcaire en solution comme avant : une partie du calcaire dissous réapparaît sous forme solide (carbonate de calcium).
Quand ce solide s'accumule, infime couche après infime couche, au bord de la goutte au plafond, il forme une stalactite. Quand la goutte se détache et tombe au sol, la même réaction s'y produit, et une stalagmite s'élève de bas en haut.
La réaction qui dissout le calcaire et celle qui le fait se solidifier en stalactite ne seraient en fait qu'une seule et même réaction chimique, qui avance vers la droite ou vers la gauche selon la quantité de dioxyde de carbone. Là où il y en a beaucoup, comme dans le sol, elle va dans le sens de la « dissolution » ; là où il y en a peu, comme dans la grotte, elle va dans le sens de la « solidification ».
Ce qu'on peut vérifier chez soi
- Placez un morceau de coquille d'œuf dans un verre de vinaigre
- Observez les fines bulles qui se forment abondamment à la surface de la coquille
Comme les coquillages, la coquille d'œuf est faite surtout de carbonate de calcium. L'acide du vinaigre réagit avec le carbonate de calcium, dégage des bulles de dioxyde de carbone et dissout la coquille. La dissolution du calcaire par l'eau de pluie dans la grotte diffère par la force de l'acide et la vitesse, mais c'est la même réaction entre carbonate de calcium et acide. Pour un exemple où une substance dissoute revient lentement à l'état solide et prend forme, voyez aussi l'histoire de la croissance d'un cristal d'alun.
En résumé
Si les stalactites mettent des milliers d'années à grandir, c'est que deux réactions vont de pair. ① Sous terre, l'eau de pluie dissout un peu de calcaire ; ② dans la grotte, ce calcaire redevient solide et s'accumule. Ce cycle se répète, avec une lenteur vertigineuse.
La pierre n'est pas seulement faite pour s'user.
Quand les conditions sont réunies, l'eau peut aussi la rebâtir.
Pour aller plus loin – vocabulaire, formules, lien avec les manuelsDu collège aux sujets de recherche : le niveau de chaque passage est indiqué
- CollègeAu programme de sciences du collège
- LycéeAu programme de « chimie de base » du lycée
- Lycée+Chimie de lycée avancée, ou contenu approfondi/encadré des manuels
- Univ.Matières spécialisées d'université (géochimie, hydrologie), non vues au lycée
- RechercheSujets encore étudiés par les chercheurs, non enseignés comme acquis, même à l'université
CollègeVocabulaire : les mots des grottes
- Calcaire : roche formée par l'accumulation, il y a très longtemps, de coquilles et de coraux. Son composant principal est le carbonate de calcium.
- Stalactite : concrétion qui pend du plafond d'une grotte, en forme de glaçon.
- Stalagmite : concrétion qui s'élève du sol d'une grotte, de bas en haut.
- Grotte : cavité souterraine creusée dans le calcaire par la dissolution de l'eau de pluie.
- Carbonate de calcium : substance présente dans le calcaire, les coquillages, les coquilles d'œuf, etc. (formule chimique CaCO₃).
CollègeLycéeVérifier par le calcul : à quelle vitesse grandit une stalactite ?
« Des milliers d'années », cela reste difficile à ressentir. Un calcul donne ici des chiffres précis.
Longueur de la stalactite = croissance par an × nombre d'années écoulées
| Croissance par an | On utilise souvent comme repère environ 0,1 [mm/an] |
| Nombre d'années écoulées | Durée qui nous intéresse [ans] |
Cette vitesse varie beaucoup selon le débit d'eau, sa teneur en minéraux et le milieu de la grotte : ce n'est qu'un repère typique. En réalité, certaines stalactites poussent bien plus vite, d'autres bien plus lentement.
| Durée pour une stalactite de 10 cm (100 mm) | 100 ÷ 0,1 ＝ 1000 [ans] |
| Durée pour une stalactite de 1 m (1000 mm) | 1000 ÷ 0,1 ＝ 10000 [ans] |
Même une stalactite de 10 cm demande, selon ce calcul, environ 1000 ans. Une grande stalactite de plus d'1 m se compte en dizaines de milliers d'années.
Si une vie humaine dure 80 ans, 1000 ans font environ 12 vies humaines. Autrement dit, le temps qu'une stalactite grande comme un doigt pousse, une douzaine de générations humaines naissent et vieillissent. La « goutte en train de grandir » que l'on voit pendant une visite n'est qu'un instant infime de ce temps immense.
Lycée+Univ.Les équations : comment ça dissout, comment ça se solidifie
Tout ce qui précède s'écrit ainsi avec des équations chimiques.
CO₂ + H₂O ⇌ H₂CO₃ (le dioxyde de carbone se dissout dans l'eau et forme l'acide carbonique, un acide faible)
CaCO₃ + H₂CO₃ ⇌ Ca²⁺ + 2HCO₃⁻ (le carbonate de calcium se transforme en ions solubles dans l'eau)
Plus la concentration en dioxyde de carbone est élevée, plus la réaction va vers la droite (côté dissolution) ; plus elle est basse, plus elle va vers la gauche (côté solidification). Dans le sol, la respiration des micro-organismes élève la concentration en dioxyde de carbone : la réaction va vers la droite et dissout le calcaire. Dans la grotte, elle est plus basse que dans le sol : quand le CO₂ quitte la goutte pour l'air, la réaction va vers la gauche et le carbonate de calcium réapparaît sous forme solide (la stalactite). L'essentiel : une même équation va et vient selon les conditions ambiantes.
RechercheCe qu'on ne comprend pas encore bien
- Prédire précisément la vitesse de croissance d'une stalactite, grotte par grotte, reste difficile. Le rythme et le volume des gouttes, les minéraux présents, la température, l'humidité et la concentration en dioxyde de carbone de la grotte : de nombreux facteurs s'entremêlent.
- À l'intérieur des stalactites et des stalagmites peuvent subsister de très fines stries de croissance, comme les cernes d'un arbre ; un domaine de recherche, la « climatologie des grottes », s'en sert pour lire le climat passé (pluies, température). Les techniques qui estiment l'environnement d'alors à partir, par exemple, des rapports isotopiques contenus dans les stries continuent d'être affinées.
- Le mécanisme microscopique de croissance cristalline, par lequel des gouttes tombant longtemps presque au même endroit édifient une forme régulière, n'est lui non plus pas entièrement élucidé.
Même les stalactites que l'on admire éclairées dans les grottes touristiques restent, dans le détail de leur croissance, un objet de recherche. Être familier n'est pas la même chose qu'être compris.
Lien avec les manuels (par niveau)
| Niveau | Matière et chapitre | Où dans cet article |
|---|---|---|
| Collège | Sciences : propriétés des solutions aqueuses / roches | Calcaire, noms de stalactite et stalagmite, observation de la coquille d'œuf |
| Lycée | Chimie de base : quantité de matière et bases des réactions | Calcul de la vitesse de croissance |
| Lycée+ | Chimie : équilibre chimique (approfondi) | Sens de la réaction selon la concentration en CO₂ |
| Univ. | Géochimie, hydrologie (relief karstique) | Équilibre de dissolution du carbonate de calcium, chimie des eaux souterraines |
| Recherche | Climatologie des grottes, paléoclimatologie (non résolu) | Prédiction de la vitesse de croissance, reconstitution du climat passé par les stries, mécanisme de croissance cristalline |
| ― | Sciences de la Terre : relief karstique | Lien avec la formation des grottes |
- Documents explicatifs sur les grottes et les ressources géologiques touristiques de diverses régions du Japon (descriptions générales de la dissolution du calcaire et de la croissance des stalactites).
- White, W.B., Geomorphology and Hydrology of Karst Terrains (ouvrage de référence sur les reliefs calcaires et la chimie des eaux souterraines).
- Fairchild, I.J. & Baker, A., Speleothem Science: From Process to Past Environments (ouvrage sur la reconstitution des paléoclimats à partir de stalactites et de stalagmites).
- Descriptions générales, dans les manuels de sciences de la Terre et de chimie, de l'équilibre de dissolution du carbonate de calcium et de son lien avec la concentration en dioxyde de carbone.
※ Les valeurs comme la vitesse de croissance varient largement selon les conditions de chaque grotte. Cet article donne des repères d'usage courant.
※ Cet article est une explication scientifique grand public. Les valeurs, comme la vitesse de croissance des stalactites, varient largement selon les conditions de chaque grotte ; elles sont données comme repères pour comprendre le mécanisme.