Photo : Spéléothèmes verts dans l’Aven du Mont Marcou (Hérault, France) © Stéphane Pire, Gaëtan Rochez (UNamur)

Les spéléothèmes, qui comprennent notamment les stalactites et les stalagmites, sont communément composés de calcite ou d’aragonite (CaCO₃). Ce composé minéral provient directement de la roche dans laquelle la grotte s’est formée, et arbore naturellement une teinte blanche à brunâtre. Cependant, il peut arriver que les spéléothèmes arborent des teintes uniques et particulières. Du jaune au noir en passant par le bleu, le rouge, le vert ou encore le mauve, il y en a pour tous les goûts ! 

Une telle diversité de colorations reflète les nombreuses causes possibles : origine minéralogique, chimique, biologique ou même physique. Un spéléothème, comme toute formation naturelle, n’est jamais parfaitement pur. Leur processus de dépôt, par précipitation du carbonate de calcium dissout dans l’eau, s’accompagne nécessairement du dépôt des nombreuses impuretés transportées avec l’eau qui circule sous terre. Même si ces impuretés sont parfois trop peu concentrées ou simplement non colorées, il arrive qu’elles aient un impact visible sur la couleur. Le spéléothème arborera alors une couleur modifiée.

OK, mais à quoi ça sert ?

La formation des spéléothèmes est très souvent liée aux impuretés dissoutes dans l’eau souterraine. Dès lors, l’étude des spéléothèmes colorés permet d’apporter des informations précieuses sur les potentielles contaminations en métaux lourds ou autres composés organiques nocifs des eaux de surface, qui peuvent dans certains cas être consommées par les habitants. C’est donc un moyen simple et direct d’identifier des zones aux eaux potentiellement contaminées, et de déterminer si ces contaminations présentent un risque environnemental ou sanitaire.

Et c’est l’objectif de la thèse de Martin Vlieghe : appliquer de nombreuses techniques analytiques de pointe sur des échantillons de ces spéléothèmes afin de déterminer ces causes, et proposer une explication quant à l’origine des éléments colorants. 

Quelques exemples.

Un premier projet a exploré les spéléothèmes verts de l’Aven du Marcou (voir photo ci-dessus). Situé dans l’Hérault (France), ce gouffre est très connu dans la région pour sa succession de puits impressionnants, dont le plus grand est profond de plus de 100 mètres. Il possède également une toute petite salle dissimulée en haut d’une paroi abrupte, qui abrite une impressionnante concentration de spéléothèmes d’un vert profond. Après tous les efforts pour descendre et remonter des cordes pour progresser dans cette grotte très verticale, quelle belle récompense de découvrir ce véritable joyau souterrain ! L’émerveillement initial passé, il est temps de se mettre au travail : on observe, on décrit, on interprète, et on récupère quelques fragments verts au sol tout en respectant au maximum l’intégrité des lieux. De retour en Belgique, il est temps de passer aux analyses.

La découverte est d’autant plus étonnante qu’il n’existe aucun gisement de nickel dans les environs de la grotte ! Une étude plus poussée de la composition des népouites révèle qu’elles contiennent une forte concentration de zinc, ce qui est aussi très inhabituel et qui suggère qu’elles sont en fait bien différentes de celles qui sont communément exploitées dans les gisements volcaniques. Finalement, ce mystère sera élucidé par l’examen approfondi des affleurements rocheux à proximité directe de l’aven. Juste au-dessus de la grotte se trouvent des riches siliceuses particulièrement riches en pyrites, un sulfure de fer communément trouvé dans ce genre de dépôts. L’analyse de ces sulfures révèle de fortes concentrations de nickel, qui se retrouve également dans la source d’eau naturelle en surface la plus proche de l’aven. 

Résultat de cette « enquête » et explication finale : la népouite a pu se déposer sous terre par la dissolution des différents éléments chimiques contenus dans les pyrites des roches sus-jacentes, qui ont été transportés jusque dans la grotte par les eaux de surface et ont pu cristalliser sur place. 

La grotte de Malaval est bien différente de l’aven du Marcou. Située en Lozère (France), elle s’étend en grand partie le long d’une haute rivière souterraine qui sinue sous le massif des Cévennes. Au détour d’un méandre, on peut y trouver des spéléothèmes d’un magnifique bleu azur. 

Comme au Marcou, les spéléothèmes colorés ne se trouvent qu’à deux endroits bien précis de la grotte et nulle part ailleurs, ce qui suggère que l’origine des éléments chromophore est probablement très localisée.

Photos - Gauche : Stalagmite bleue de la Grotte de Malaval. Droite : Bouquet d’aragonite bleue de la Grotte de Malaval © Gaëtan Rochez (UNamur)

A nouveau, quelques fragments sont récoltés, qui comprennent une grande stalactite bleutée trouvée cassée à même le sol de la grotte. Une série d’observations microscopiques et d’analyses minéralogiques et géochimiques sont réalisées. La première constatation marquante est que plusieurs fragments bleus ne contiennent aucun autre minéral que l’aragonite, suggérant que contrairement aux vertes du Marcou, c’est l’aragonite elle-même qui est colorée par la présence d’éléments métalliques. Après examen des analyses, trois de ces éléments sortent du lot : le cuivre, très couramment cité comme cause de colorations bleutées dans l’aragonite, ainsi que le zinc et le plomb. 

S’il apparait que le cuivre est bel et bien la cause principale de la coloration bleue, le zinc et le plomb jouent aussi un rôle. 

Le plomb, quant à lui, a également un pouvoir colorant marqué, donnant des teintes vertes à bleues, mais l’analyse statistique des zones colorées et non colorées montre que ces colorations ne s’expriment qu’en l’absence de zinc, qui semble être un inhibiteur de la coloration induite par le plomb. Cette étude démontre bien que, même si un problème semble facile à expliquer de prime abord, il peut parfois cacher des subtilités insoupçonnées qu’il est nécessaire d’approfondir - pour en percer tous les secrets. 

La Grotte de la Cigalère est unique en son genre. Non seulement elle recèle des quantités impressionnantes de gypse, un sulfate de calcium qu’on retrouve notamment dans certaines grottes. Cependant, ce gypse présente des colorations très variées et rarement observées dans la nature. En raison de cette rareté, cette grotte est particulièrement bien protégée, au point qu’il nous était interdit de récupérer le moindre fragment dans la grotte. Cette étude a donc été le moyen idéal de tester la nouvelle acquisition du Département de géologie : un spectromètre à fluorescence X portable (pXRF), qui permet une analyse rapide, in situ, et surtout totalement non-destructive des spéléothèmes colorés.

Photos - Analyse pXRF d’un coeur de stalactite bleu (gauche) et d’une coulée jaune (droite) dans la Grotte de la Cigalère © Stéphane Pire (UNamur)

On retrouve également du noir dans la Chapelle de Donnea, mais contrairement à ce qu’on pourrait croire, aucun fer n’a été détecté. Ici, c’est bien le manganèse sous forme d’oxydes qui est responsable de la coloration. Cette observation est intéressante, car elle démontre bien que les colorations noires du gypse, deux phénomènes qui semblent similaires au premier abord, peuvent avoir des causes bien différentes, d’où l’intérêt de pouvoir réaliser des analyses directement sur le terrain. 

Un peu plus en aval, c’est le bleu qui domine le long de la galerie principale, et les analyses réalisées ont montré de fortes similarités avec les spéléothèmes bleus de Malaval, avec une influence marquée du cuivre et potentiellement du zinc. 

Tout ceci met en évidence que, malgré certaines limitations de l’appareil, ce type de méthode d’analyse non-destructive est un outil très précieux pour étudier des objets rares, fragiles, précieux ou protégés, dont la grotte de la Cigalère est un excellent exemple ! 

La thèse de doctorat de Martin Vlieghe sur « L'origine(s) des spéléothèmes colorés dans les grottes », réalisée sous la supervision du Professeur Johan Yans, et en collaboration avec Gaëtan Rochez a commencé en février 2022. Les chercheurs sont tous trois membres de la Faculté des sciences, Département de géologie de l’UNamur et de l'Institut de recherche ILEE. 

ILEE (Institute of Life, Earth and Environment) s’intéresse directement aux problématiques liées à l’étude et la préservation de l’environnement, auxquelles ce sujet se rattache directement. 

Les différentes analyses ont été réalisées avec le soutien des plateformes technologiques de l’UNamur :

• Caractérisation physico-chimie (PC²)
• Lasers, optiques et spectroscopies (LOS)
• Microscopie électronique
• Synthèse, Irradiation et Analyse de Matériaux (SIAM)

Certaines analyses ont été réalisées en partenariat avec la KUL, le MRScNB et l’UMontpellier, et l’accès aux grottes a été assuré par l’Association Mont Marcou, l’Association de la grotte de Malaval et l’Association de Recherche souterraine du Haut Lez.

A l’origine, cette thèse a été financée par l’institut ILEE et les fonds institutionnels de l’UNamur, et par une bourse Aspirant F.R.S. - FNRS (FC 50205) depuis octobre 2023.

Elle est également étroitement liée au nouveau partenariat de recherche soutenu par le réseau RELIEF (Réseau d’Échanges et de Liaisons entre Institutions d’Enseignement supérieur Francophones), l’Institut de recherche ILEE de l’UNamur et l’EDYTEM (Environnements, Dynamiques et Territoires de Montagne, Université Savoie Mont Blanc).  Les programmes de mobilité entre ces entités renforceront un domaine de recherche commun : l’étude de la zone critique, la zone la plus superficielle de la Terre, où les roches, l'eau, l'air et les organismes vivants interagissent.  La perspective est de développer d'autres domaines de recherche transdisciplinaires et des projets d'enseignement potentiels dans le domaine des sciences de l'environnement et du développement durable.

Etudier la géologie, c’est développer des bases solides en physique, chimie et biologie pour comprendre la Terre, de sa dynamique interne aux processus de surface et leurs interactions avec notre environnement et les activités humaines. 

Le géologue, grâce à sa formation interdisciplinaire, se positionne idéalement pour exercer des fonctions variées valorisant une approche scientifique rigoureuse à la résolution de problématiques complexes (recherche et développement, gestion de projet, consultance et éducation).

Dans le monde naturel, de nombreuses espèces animales présentent de la fluorescence, c’est-à-dire qu’ils émettent de la lumière visible sous un éclairage ultraviolet. De façon générale, les propriétés physiques, chimiques ou biologiques de fluorescence de ces espèces sont très mal comprises. Par exemple, la fluorescence des ailes transparentes des plus de 3000 espèces de cigales n’avait jamais été rapportée dans la littérature scientifique jusqu’à cette année.

Dans une nouvelle étude publiée en février 2023 dans le Journal of Luminescence, une équipe internationale de recherche menée par Sébastien Mouchet, chercheur au Département de physique et membre des Instituts NISM (Institut namurois de la Matière Structurée) et ILEE (Institute of Life, Earth and Environment) de l’UNamur, a mis en évidence les propriétés inconnues de fluorescence d’ailes transparentes de certains insectes, dont les cigales que l’on retrouve dans le sud de la France, et du sphinx gazé, un lépidoptère qui vit, entre autres, en Belgique.

Cette étude indique que l’émission de lumière par fluorescence serait plus commune dans les ailes transparentes d’insectes que ce que l’on admettait auparavant. Tout porte à croire que l’origine de cette fluorescence est la présence de résiline au sein des ailes. Cette protéine est connue pour contribuer à la flexibilité des ailes.

Contrairement à ce que l’on pensait, l’émission par fluorescence observée chez ces insectes pourrait être une conséquence fortuite de la présence de résiline dans les ailes à des fins mécaniques et ne pas jouer de rôle particulier dans la communication visuelle de l’insecte, qu’il s’agisse de parade nuptiale ou de défense territoriale.

L’étude fondamentale de la fluorescence d’organismes vivants n’est pas uniquement cruciale du point de vue zoologique. La mise en évidence de la protéine fluorescente verte (connue comme GFP, de l’anglais Green Fluorescent Protein) au sein des tissus d’une espèce de méduse a révolutionné technologiquement le monde de la génétique et de la microscopie à fluorescence. Cette découverte a d’ailleurs été couronnée par le prix Nobel de Chimie en 2008. 

A l’UNamur, c’est grâce aux équipements de la plateforme technologique LOS (Laser, Optique et Spectroscopies) que ces études ont été réalisées.

La plateforme offre une expertise unique dans la caractérisation des propriétés optique et électroniques de la matière au moyen de mesures optiques linéaires et non-linéaires, réalisées notamment par des lasers dans un cadre de recherches fondamentales ou appliquées. La plateforme permet l'analyse de systèmes structurés à l’échelle nanométrique à une, deux ou trois dimensions, de films moléculaires aux interfaces ou de traces de gaz. En plus des compétences expérimentales, la plateforme développe des modèles analytiques et numériques permettant d’interpréter les réponses spectroscopiques mesurées.

• Sébastien Mouchet, Louis Dellieu et Olivier Deparis (Université de Namur, Belgique)
• Charlotte Verstraete, Dimitrije Mara et Thierry Verbiest (KU Leuven, Belgique)
• Bojana Bokic et Branko Kolaric (Université de Belgrade, Serbie)
• Albert Orr (Griffith University, Australie)
• Rik Van Deun (Université de Gand, Belgique)
• Pete Vukusic (University of Exeter, Royaume Uni)

Cette propriété est souvent utilisée dans notre vie quotidienne. Quelques exemples :

• Les vêtements à haute visibilité ou dans un simple but esthétique ;
• Les marqueurs surligneurs ;
• Des peintures « anticollision » dont on peint, par exemple, certaines parties des avions ;

La fluorescence est également utilisée dans le cas de la lumière dite « noire », à savoir celle émanant d’une source lumineuse composée essentiellement de proches ultra-violets, qui fait ressortir les blancs et les objets fluorescents afin de créer une ambiance spéciale, de vérifier qu’un billet de banque n’est pas contrefait ou de déceler certaines substances invisibles à l’œil nu.

En recherche de fuites, la fluorescence est très employée en mélangeant à l'eau des traceurs fluorescent. Cela permet de déceler tout type d'infiltration ou de passage d'eau. La spin-off TRAQUA de l’UNamur, experte en monitoring hydrologique et hydrogéologique, qui a développé le fluorimètre/turbidimètre STREAM®, en est un bel exemple.

Sébastien Mouchet et Oliver Deparis sont les auteurs d'un ouvrage intitulé Natural Photonics and Bioinspiration.  Publié en novembre 2021, c'est un livre sur le thème de l’optique physique et de la biologie environnementale. Sur les traces des recherches du Prof Jean-Pol Vigneron, ce livre, avant-gardiste selon l’éditeur, ouvre la porte aux applications bio-inspirées dans le monde de l’optique, de l’énergie et de l’environnement.