Faculté des sciences

Cave Genesis and its relationship to surface processes : investigations in the Siebenhengste region (BE, Switzerland)

Häuselmann, Philipp ; Monbaron, Michel (Dir.)

Thèse de doctorat : Université de Fribourg, 2002 ; Nr. 1383.

Du point de vue spéléologique, la région des Siebenhengste est l’une des plus importantes du monde. La densité exceptionnelle des galeries souterraines, qui s’étendent sur plus de 1500 m de dénivelé, en fait un site privilégié pour l’étude de la paléogéomorphologie alpine et de la paléoclimatologie glaciaire. La présente thèse se concentre sur la grotte de St. Béat et le... Plus

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    Résumé
    Du point de vue spéléologique, la région des Siebenhengste est l’une des plus importantes du monde. La densité exceptionnelle des galeries souterraines, qui s’étendent sur plus de 1500 m de dénivelé, en fait un site privilégié pour l’étude de la paléogéomorphologie alpine et de la paléoclimatologie glaciaire. La présente thèse se concentre sur la grotte de St. Béat et le Bärenschacht, situés au sud de ladite région. Les résultats obtenus, qui concernent la tectonique, l’hydrogéologie, la spéléogenèse, la paléogéographie et la paléoclimatologie, sont présentés sommairement ci-dessous. Tectonique et stratigraphie: Le rejet de la faille de Hohgant-Sundlauenen (HSV) est de l’ordre de 1 km. L’épaisseur stratigraphique du Schrattenkalk et de la série du Hohgant permet l’observation de l’activité synsédimentaire de la HSV à partir du Crétacé inférieur jusqu’à l’Eocène. L’histoire complexe de l’activité tectonique et de la sédimentation pendant cette période est esquissée. La Waldegg est une structure en Horst et Graben. Hydrogéologie: Des observations dans la grotte de St. Béat ont démontré que les eaux du karst sont capables de former des cavités à l’intérieur et au travers de formations imperméables. De plus, les diffluences vadoses sont très courantes, et les transfluences ne nécessitent pas une couche imperméable pour leur mise en place. Certains résultats «étranges» des essais de traçage peuvent être expliqués par ces observations. Un essai de traçage a permis de délimiter les bassins versants de la grotte de St. Béat et des Siebenhengste. Une revue de tous les traçages effectués dans la région des Siebenhengste-Hohgant est présentée et permet de faire une synthèse des systèmes hydrogéologiques au nord d’Interlaken. Spéléogenèse: La morphologie des galeries dans la zone épiphréatique actuelle indique que la corrosion en temps de crue, bien que temporaire, prédomine sur l’érosion vadose pérenne, avec pour corollaire la forme phréatique des galeries qui se situent dans la zone épiphréatique. La transition méandre-tube se fait au toit de cette zone, qui est responsable de la dernière étape morphogénétique des cavités alpines. Les phases spéléogénétiques sont liées à la zone épiphréatique. Des soutirages vidangent la zone épiphréatique en temps d’étiage. Leur genèse est intimement liée à l’existence d’une zone de battement. La transition d’une phase à l’autre se fait assez rapidement. Par contre, un équilibre entre la taille des galeries et le débit total n’est atteint qu’asymptotiquement et après un temps considérable. Reconstitution de la paléogéographie: On a trouvé douze phases spéléogénétiques, d’âges différents. On assume que leur source était en relation avec un ancien fond de vallée. Ainsi, les phases spéléogénétiques indiqueraient l’approfondissement progressif de la vallée. Les phases traitées dans le présent travail se situent à 558, 660, 700, 760, 805 et 890 m d’altitude. L’analyse statistique des petites cavités confirme ces phases. Des observations morphologiques et sédimentologiques suggèrent une genèse des galeries les plus anciennes aux Siebenhengste pendant le dernier dépôt de molasse, au Mio/Pliocène, avant l’approfondissement de la vallée de l’Aare. Datation des phases et information paléoclimatique: L’érosion laisse toujours des restes de sédiment à l’intérieur d’une cavité, que l’on peut utiliser pour une reconstitution du paléoclimat. La genèse des cavités et le dépôt de concrétions a lieu pendant les périodes chaudes, tandis que les glaciations causent l’arrêt de la spéléogenèse et le dépôt des limons varvés dus à l’ennoyement des galeries. Plusieurs profils sédimentaires, principalement dans la grotte de St. Béat, ont été étudiés. La succession sédimentaire permet une reconstitution chronologique des évènements, combinée ensuite avec les phases spéléogénétiques. On obtient ainsi des indications sur l’âge relatif des profils et des phases spéléogénétiques correspondantes. La datation de cette chronologie permet de retracer les phases spéléogénétiques et, en même temps, les avancées et retraits glaciaires. Les résultats montrent six avancées, à >350 ka, 235-180 ka, 157-135 ka, 114-99 ka, 76-54 ka et 39-16 ka. La phase spéléogénétique 760 était active à >350-235 ka, la phase 700 à 180-157 ka, la phase 660 à 135-39 ka, et la phase actuelle 558 entre 39 ka et aujourd’hui. L’analyse intégrale d’un système souterrain fournit des informations paléoclimatiques bien plus significatives que l’étude d’échantillons isolés dans un système essentiellement ouvert. La présente étude a été rendue possible grâce à la topographie souterraine bénévole effectuée par des générations de spéléologues.
    Zusammenfassung
    Die Region der Siebenhengste ist eine der grössten Höhlengebiete weltweit. Ihre hohe Dichte an Höhlengängen, die sich über mehr als 1500 Höhenmeter erstrecken, machen sie zu einem idealen Ort zum Studium der alpinen Paläogeomorphologie und glazialen Paläoklimatologie. Die vorliegende Arbeit konzentriert sich auf die St. Beatus-Höhle und den Bärenschacht, die sich am südlichen Ende der Höhlenregion befinden. Die Resultate über Tektonik, Hydrogeologie, Höhlenentstehung, Paläogeographie und Paläoklimatologie werden im Folgenden summarisch präsentiert. Tektonik und Stratigraphie: Der Versatz der Hohgant-Sundlauenen-Verwerfung (HSV) liegt bei 1 km. Die stratigraphischen Mächtigkeiten des Schrattenkalkes und der Hohgantserie erlauben, eine synsedimentäre Aktivität der HSV bereits ab der Unterkreide bis zum Eozän zu belegen. Eine komplexe Geschichte der Bruchaktivität und Sedimentation dieses Zeitalters wird nachgezeichnet. Die Waldegg ist eine Horst-Graben-Struktur. Hydrogeologie: Beobachtungen in der St. Beatus-Höhle haben gezeigt, dass Karstwässer auch innerhalb und quer zu undurchlässigen Schichten Höhlen bilden können. Zusätzlich sind vadose Diffluenzen sehr häufig, und Transfluenzen sind nicht auf Gebiete mit undurchlässigen Schichten beschränkt. Durch diese Beobachtungen können „seltsame“ Resultate von Färbversuchen erklärt werden. Ein Färbversuch erlaubte die Abgrenzung der Einzugsgebiete der St. Beatus-Höhle von demjenigen der Siebenhengste. Eine Übersicht über alle je in der Region durchgeführten Färbversuche wurde erstellt und erlaubt einen Überblick über die hydrogeologischen Systeme nördlich von Interlaken. Höhlenentstehung: Die Gangmorphologie zeigt, dass in der heutigen epiphreatischen Zone die zeitweilige Hochwasserkorrosion über die ständige Niederwassererosion dominiert, was eine phreatische Morphologie innerhalb der epiphreatischen Zone ergibt. Der Übergang Mäander-Röhre geschieht im Dach dieser Zone, welche für die letzte Morphogenese zumindest in alpinen Höhlen verantwortlich ist. Die speläogenetischen Phasen sind in Zusammenhang mit der epiphreatischen Zone. Soutirages entleeren die epiphreatische Zone während Niederwasser. Ihre Genese ist von der Existenz einer Hochwasserzone abhängig. Der Übergang von einer speläogenetischen Phase zur nächsten geschieht verhältnismässig schnell; ein Gleichgewicht zwischen Schüttung und Ganggrösse stellt sich jedoch sehr wahrscheinlich nur asymptotisch und nach einer sehr langen Zeit ein. Rekonstruktion der Paläogeographie: Es wurden zwölf speläogenetische Phasen verschiedenen Alters gefunden, deren Quelle wohl in Zusammenhang mit einem alten Talboden steht. Aus diesem Grunde sollten die speläogenetischen Phasen die Abfolge der Taleintiefung darstellen. Die in der vorliegenden Arbeit besonders studierten Phasen liegen auf 558, 660, 700, 760, 805 und 890 m ü.M. Die statistische Analyse von Kleinhöhlen bestätigt diese Phasen. Morphologische und sedimentologische Befunde legen eine Entstehung der ältesten Gänge auf den Siebenhengsten zur Zeit der Molasseablagerung, also im Mio-Pliozän, nahe, bevor das Aaretal begann zu existieren. Datierung der Phasen und paläoklimatische Informationen: Die Erosion verschont zumeist Überreste der Sedimente. Aus diesem Grund sind Höhlen zur Rekonstruktion des Paläoklimas geeignet. Höhlenentstehung und Tropfsteinablagerung geschieht während Warmzeiten, während Eiszeiten die Speläogenese behindern und wegen des Wasserspiegelanstiegs gewarvte Silte ablagern. Einige Sedimentprofile, zumeist aus der St. Beatus-Höhle, wurden untersucht. Die sedimentäre Abfolge erlaubt eine chronologische Rekonstruktion von Ereignissen, die dann mit den spelägenetischen Phasen kombiniert wird und so Angaben über die relative Abfolge der Profile untereinander sowie über die Alterszusammenhänge der Phasen liefert. Die Datierung dieser Chronologie erlaubt sodann die zeitliche Einstufung der speläogenetischen Phasen sowie der Eisvorstösse und -rückzüge. Die Resultate zeigen sechs Eisvorstösse bei >350 ka, 235-180 ka, 157-135 ka, 114-99 ka, 76-54 ka und 39-16 ka. Die speläogenetische Phase 760 war zwischen >350-235 ka aktiv, Phase 700 zwischen 180-157 ka, Phase 660 wiederum zwischen 135-39 ka, und die heutige Phase 558 seit 39 ka. Eine Gesamtanalyse der Höhle ergibt sinnvollere Resultate als die punktuelle Analyse von Einzelproben in einem grundsätzlich offenen System. Diese Arbeit war nur möglich dank der ehrenamtlichen Höhlenvermessung durch Generationen von Höhlenforschern.
    Summary
    The Siebenhengste region is one of the most significant cave areas in the world. Its high density of cave passages that extend over 1500 m in altitude makes it a key site for the study of Alpine paleogeomorphology and paleoclimatology. The present thesis concentrates on St. Beatus Cave and Bärenschacht at the southern rim of the cave region. The tectonics, hydrogeology, speleogenesis, paleogeography, and paleoclimatology are summarised as follows: Tectonics and stratigraphy: The throw of the Hohgant-Sundlauenen fault (HSV) is around 1 km. The stratigraphical thickness of the Schrattenkalk and Hohgant series allow an examination of the synsedimentary activity of the HSV from the Lower Cretaceous up to the Eocene. A complicated history of faulting activity and sedimentation in this timespan is retraced. The Waldegg is found to be a Horst-Graben structure. Hydrogeology: Observations in St. Beatus Cave have shown that karst waters not only can generate caves across and within impermeable formations; in addition vadose diffluences are common, and transfluences do not necessarily require an impermeable layer to form. These findings allow an explanation of complex results of water tracings to be formulated. A tracing experiment permitted delineation of the catchment areas of St. Beatus Cave and Siebenhengste. A review of all tracing experiments performed in the Siebenhengste-Hohgant area is made, and allows an overview of the hydrogeologic systems to the north of Interlaken. Speleogenesis: The passage morphology shows that in the present epiphreatic zone, temporal floodwater corrosion prevails over perennial low-water erosion, resulting in a phreatic morphology of the tubes within the epiphreatic zone. The transition from meandering canyon to tubetype passages occurs at the top of this zone, which is responsible for the latest stage of tube morphogenesis in Alpine caves. The speleogenetic phases are related to the top of the epiphreatic zone. Soutirages empty the epiphreatic zone in low water condition. Their genesis is intimately connected to the existence of a floodwater zone. The transition from one speleogenetic phase to another happens rapidly; however, equilibrium between passage size and total discharge most probably is reached only asymptotically and needs considerable time. Reconstruction of paleogeography: Twelve speleogenetic phases of different age can be found. The spring responsible for their formation is thought to be related to an old valley bottom. Therefore, the speleogenetic phases should directly indicate the successive deepening of the valley. The six phases that are investigated in the present study are found at 558, 660, 700, 760, 805, and 890 m a.s.l. The statistical analysis of small caves near the surface supports the definition of these phases. Morphologic and sedimentologic findings suggest the genesis of the oldest conduits at Siebenhengste to be contemporaneous with the last Molasse deposition in Mio-Pliocene, before the Aare valley existed. Phase-dating and paleoclimatic information: Erosion always leaves some sedimentary traces within the cave, which therefore yields paleoclimatic information. Cave genesis and speleothem deposition occurs during warm periods, whereas during glaciations, speleogenesis stops. Instead, varved silts are deposited as a result of waterlevel rise. Several sediment profiles are investigated, most of them within the St. Beatus Cave. The sedimentary succession allows a chronological reconstruction of events that, when combined with the speleogenetic phases, gives information about the relative age of each profile, and thus about the age of the speleogenetic phase. The dating of this chronology then allows the estimation of ages for the speleogenetic phases and glacial advances and retreats. The results show six glaciations at >350 ka, 235-180 ka, 157-135 ka, 114-99 ka, 76-54 ka, and 39-16 ka. The speleogenetic phase 760 was present at >350-235 ka, phase 700 was active at 180-157 ka, phase 660 again at 135-39 ka, and the present phase 558 between 39 ka and today. A comprehensive analysis of a cave system gives much more meaningful results than the analysis of single points and structures in a basically open system. The present study was made possible by of the volunteer mapping efforts of generations of speleologists.