Le gaz carbonique dans la dynamique de l atmosphère des cavités karstiques : l exemple de l Aven d Orgnac (Ardèche)

C. R. Acad. Sci. Paris, Sciences de la Terre et des planètes / Earth and Planetary Sciences 333 (2001) 685 692 2001 Académie des sciences / Éditions scientifiques et médicales Elsevier SAS. Tous droits réservés S1251-8050(01)01682-2/FLA Géophysique externe, climat et environnement / External Geophysics, Climate and Environment Le gaz carbonique dans la dynamique de l atmosphère des cavités karstiques : l exemple de l Aven d Orgnac (Ardèche) François Bourges a,, Alain Mangin b, Dominique d Hulst b a G.E. Conseil, 30, rue de la République, 09200 Saint-Girons, France b Laboratoire souterrain du CNRS de Moulis, 09200 Saint-Girons, France Reçu le 30 juin 2001 ; accepté le 10 septembre 2001 Présenté par Ghislain de Marsily Abstract Carbon dioxide in karst cavity atmosphere dynamics: the example of the Aven d Orgnac (Ardèche). AsurveyofCO 2 concentrations in the atmosphere of the Aven d Orgnac shows that aerodynamic transfer can be a major process in karst system dynamics. The local meteorological conditions and the geometry of the cavity govern exchanges between the cave atmosphere and the exterior. Air enriched with biogenic CO 2 is transferred through the microfissural network by diphasic infiltration from soil to caves where it is continuously produced from rock walls. Analysis of the aerodynamic emptying of confined zones and direct flow measurement give a mean CO 2 production per surface unit of the cave rock wall. 2001 Académie des sciences / Éditions scientifiques et médicales Elsevier SAS CO 2 / cave / karst / hypogea atmosphere / aerodynamics / confinement / France Résumé Le suivi des teneurs en CO 2 de l atmosphère de grotte montre que le transfert aérodynamique peut être un processus majeur de la dynamique du système karstique. Les paramètres météorologiques et la géométrie des cavités contrôlent les échanges entre l atmosphère souterraine et l extérieur. L air enrichi en CO 2 biogénique transite en écoulement diphasique par le réseau microfissural depuis le sol jusque dans la grotte où il est produit en continu au niveau des parois. L analyse des vidanges aérodynamiques de zones confinées et des mesures de débit donnent la production moyenne de CO 2 par unité de surface dans la cavité. 2001 Académie des sciences / Éditions scientifiques et médicales Elsevier SAS CO 2 / grotte / karst / atmosphère souterraine / aérodynamique / confinement / France Abridged version 1. Introduction The carbon cycle is mainly a CO 2 cycle and the high CO 2 levels in cave atmospheres, currently 10 to 100 times the 0.03 % vol. standard at the surface [7], represent direct evidence of a notable downward carbon transit through the karst structures. Most of this CO 2 is produced by biological soil activity and is transported by water seeping through the soils and the network of rock voids [1, 2, 4, 8], but interpretations of the higher CO 2 rates refer also to limestone weathering, oxidation of soil-derived material by bacteria, or to deep gas diffusion in cavities [9, 10]. Correspondance et tirés à part. Adresses e-mail : GEConseil@wanadoo.fr (F. Bourges), mangin@lsm.cnrs.fr (A. Mangin), dhulst@lsm.cnrs.fr (D. d Hulst). 685

Caves are windows into the karstic system; these cavities and their atmospheres are privileged environments for the recording of transfer processes. In this paper, we propose to analyse the underground atmosphere dynamics in the Aven d Orgnac using a functional and systemic approach [5, 6]. 2. The physical environment The Aven d Orgnac karstic system is hosted in Cretaceous limestones. These cavities contain speleothems of exceptional quality and diversity and extensive clay karstic fillings. Most rainwater and air are transferred downward from soils through the network of hierarchical karst voids. Large opened voids (caves and active drains), large fissures, fracture networks (> cm) carry fast infiltration (water and/or air) but micro-fracture networks, which are penetrative structures (< mm), carry diphasic (water plus air) delayed infiltration [6]. 3. The nature of hypogeal atmosphere and the CO 2 origin The 2 to 5 % CO 2 vol. recorded in some French caves [7] is much higher than the 0.5 to 1.5 % CO 2 vol. of gas measurements in limestone soils [2, 3]. The high CO 2 cave atmosphere (around 3.5 % CO 2 vol.) in the non-visited deep parts of the Aven d Orgnac was analysed. 1. There is no new component added to the cave atmosphere (except traces of methane in some samples) but a mole-to-mole replacement between CO 2 and O 2. 2. The air of the cave is saturated, or nearly saturated, with water vapour. 3. The 13 C isotopic rates (δ 13 C ranging between 19.5 and 19.9 ) are consistent with a biogenic origin. 4. Helium isotopes show a He atmospheric origin, excluding deep seated gas additions: ( 3 He/ 4 He) sample /( 3 He/ 4 He) air = 0.997 ± 0.011 [ 4 He] sample /[ 4 He] air = 0.92 ± 0.10 It is highly probable that this CO 2 -rich cave atmosphere has solely a biogenic soil origin. Current surveys on the gas in Orgnac soils show that 3 % vol. CO 2 is not exceptional. Nevertheless, CO 2 data recorded in the cave in space and time series are much more complex than the seasonal pco 2 fluctuations in the soils. 4. Space data CO 2 level profiles (figure 1) show stair-step patterns with strong seasonal shifts (high summer and low winter levels). Profile evolutions show a CO 2 invasion in spring from the inner parts of the cave toward the entrance, a stability of the high levels in summer, and a progressive emptying in autumn from the entrance toward the innermost parts. The evolution of CO 2 distribution in cavities is characterised by compartment behaviour and is related to 686 a geometric control of caves aerodynamics as most of the compartment limits are superimposed over morphological singularities. 5. Time data The CO 2 time series displays a seasonal effect (figure 2) and contrasting evolutions: mostly persistently high rates at the Canyon station and a great variability at the Balcon station. Meteorological parameters govern most of the evolution in the composition of the underground atmosphere. Steady high pressures give rise to high CO 2 values identifying confined conditions. Drops in pressure lower the CO 2 levels by favouring an opening of the system. CO 2 rates are generally positively correlated with the barometric pressure in the long term, except in the exchange zone where inverse correlation occurs. A short-term inverse pressure/co 2 correlation is also evident when CO 2 levels are very low and is interpreted as a pressure effect on CO 2 production. Pressure effects produce large-scale dilution and evacuation processes by air volume changes. Pressure can also modulate the continuous production of CO 2 through fine fractures. Correlation between outdoor temperatures and cave CO 2 rates is positive and well defined in the very long term. There is a strong seasonal effect, with high CO 2 in the summer period and a cave atmosphere that is relatively CO 2 -depleted in winter. There are periodic events (1 to 6 h) in the CO 2 time series which cannot be related to any surface climatic parameter activity and are interpreted as the effects of large-scale air movements of stable convection cells in the cave rooms. 6. The Aven d Orgnac functioning model In summer (mid-may to mid-november), when the mean surface temperature is above 13 C, a thermal inversion situation stabilises the system, thus avoiding largescale convection. The cavity atmosphere tends to reach equilibrium with the CO 2 and humidity levels present in the rock microfissural network. Confinement conditions are prominent but strong variations in atmospheric pressure or major water transfer can raise the rate of air exchanges. Diphasic flux through the microfissural network is the main engine of exchange. In winter, when hypogeal temperatures exceed mean surface thermal conditions, air enters from outside by the main openings and is released through large fissures. The exchange engine is thermal convection. Cavities ventilation is more efficient and dilution is responsible for low CO 2 levels. 7. Quantification of underground CO 2 production The Canyon zone is limited by a horizontal aerodynamic front with a very steep CO 2 gradient. It is a con-

fined volume that can be considered at this scale as a closed system. The 1997 wintertime series shows an exceptional succession of CO 2 release and filling episodes (figure 3). Release events are short (about 1 or 2 h): the aerodynamic front breaks suddenly and allows natural ventilation to sweep away and dilute the CO 2 -rich canyon air. When the front is reinstalled, a new filling episode begins, with constant rising up of CO 2 rates to a level of equilibrium (3 %). Filling episodes last about a week. From successive and comparable filling rates, we can state that CO 2 production in the canyon is nearly constant. The rock microfissural network is the most probable source of this CO 2 enriched air. From estimates for the potentially productive rock wall surfaces, the volume of the canyon zone, and the filling time, we can calculate a CO 2 flow per surface unit: 0.004 L s 1,andCO 2 production for the whole cavity: 1.9 t of CO 2 per 24 h. These values have been confirmed by direct measurement of cavity CO 2 release at the natural openings: CO 2 expelled daily ranges from 0.7 to 4.5 t at different periods. We can also estimate the natural ventilation rates (introduction of outdoor air) in the main volumes of the cavities where summer equilibrium values do not exceed 2.5 % vol. of CO 2. 130 L s 1 of 4 % CO 2 air produced from the rock walland78l s 1 of surface atmosphere air injected into the cave volume via large fissure circulation would mix to reach the 2.5 % vol. CO 2. With a mean 0.1 m s 1 air speed in large fissures, the integrated surface needed for natural ventilation would be 0.78 m 2. This could explain the sensitivity of underground environment to surface modifications. 8. Conclusion and discussion Most of the evolution in CO 2 levels in the cave atmosphere is under aerodynamic control. Ventilation activity and efficiency are driven by meteorological parameters. Calculations and direct measurements are consistent with important CO 2 production from the cave toward the outside atmosphere. The CO 2 -rich air saturated with water vapour originates in the soils and is transferred into the microfissural network by diphasic seeping to the rock wall. CO 2 production is nearly constant in the cave and constant high CO 2 levels can be permanent if confinement is sufficient. The enriched air drains out to surface along cavities and large fissures. Due to surface tensions, water tends to continue its way downward. Palaeoenvironmental interpretations from speleothem analysis are often based on concretion activity related to outdoor climatic constraints. Because concretion activity is controlled not only by water fluxes but also by CO 2 gradient at the air/rock interface, it is necessary to point out that highly probable natural underground modifications to the geometry of the cave or to its relationship with the surface system could also have affected concretion activity. 1. Introduction Le cycle du carbone est principalement un cycle du gaz carbonique et les teneurs élevées en CO 2 dans l atmosphère des grottes (10 à 100 fois les 0,03 % vol. de la surface) [7] et, plus généralement, dans la zone non saturée des aquifères karstiques représentent une évidence directe d importants transferts de carbone au travers de la structure karstique. La majeure partie de ce CO 2 est réputée produite par l activité biologique des sols et transférée vers le bas par l infiltration, puis dans le réseau de vides de la roche [1, 2, 4, 8]. Des pco 2 élevés en grotte sont aussi attribués à des processus d altération du calcaire, d oxydation de matière organique par des bactéries, ou à des arrivées de gaz profonds [9, 10]. Les grottes sont des regards sur le système karstique. Ces cavités et leurs atmosphères se présentent donc comme des sites privilégiés d observation. À partir des résultats d un suivi sur quatre ans des paramètres environnementaux à l Aven d Orgnac, nous tentons d identifier les facteurs gouvernant les échanges naturels de CO 2 et de quantifier leurs effets. L approche utilisée est systémique et fonctionnelle, l information est extraite des chroniques par les analyses corrélatoires et spectrales [5, 6]. 2. Le milieu physique Le système de l Aven d Orgnac est le témoin d un réseau karstique creusé dans les calcaires du Crétacé de la bordure est du Massif central. Cet ensemble de cavités est remarquable par les volumes des vides, l important remplissage argileux, mais surtout par l exceptionnelle qualité et diversité du concrétionnement. Le calcaire karstifié constitue le milieu physique des transferts de matière. La roche calcaire présente une très faible perméabilité, mais les transferts d eau et de gaz s effectuent aussi au travers du réseau hiérarchisé des vides karstiques. Les grands vides ouverts (grottes, drains actifs), grandes fissures et réseaux de fractures (> cm) conduisent l infiltration rapide, alors que le réseau pénétratif de microfractures (< mm) est emprunté par l infiltration lente. Dans ce réseau microfissural, le transfert peut s effectuer en écoulement diphasique (air + eau), alors que dans les vides plus larges l air et l eau circulent indépendamment [6]. 687

3. Composition de l atmosphère souterraine et origine du CO 2 Les2à5%vol.CO 2 de certaines grottes françaises de l Ardèche et du Quercy [7] sont largement supérieurs aux 0,5 à 1,5 % référencés pour les sols calcaires [2, 3], posant ainsi la question de l origine de ce CO 2. À l Aven d Orgnac, nous avons analysé des échantillons d atmosphère riche en CO 2 (autour de 3,5 % vol.) provenant des parties profondes et non accessibles au public. 1. Par rapport à l air extérieur, il n y a aucun composant nouveau dans l atmosphère de la grotte, sauf des traces de méthane dans quelques échantillons. La teneur élevée en CO 2 ne correspond pas à une addition, mais à un remplacement mole à mole de l O 2 par le CO 2 (analyses de gaz total BRGM). 2. L air est saturé ou très proche de la saturation en vapeur d eau : teneur à 100 % d humidité, quasiment stable pendant huit mois consécutifs, mesurée par un hygromètre à miroir refroidi de début janvier à fin septembre 1997. De mi-mars à début mai 1997, l humidité relative s est abaissée épisodiquement, restant cependant supérieure à 98,5 %. 3. Le δ 13 C du CO 2 de l atmosphère souterraine ( 19,7 pour un échantillon à 3,04 % vol. CO 2 et 19,5 ; 19,7 ; 19,9 pour une teneur de 3,5 % vol. CO 2 ) est cohérent avec une origine biogénique (δ 13 C = 21 ) et très éloigné des δ 13 C = 6 du CO 2 profond, excluant une origine par dissolution du calcaire (analyses : C. Emblanch, laboratoire d hydrogéologie de l université d Avignon). 4. Les isotopes de l hélium indiquent une origine atmosphérique excluant des arrivées d hélium profond : ( 3 He/ 4 He) échantillon /( 3 He/ 4 He) air = 0,997 ± 0,011 [ 4 He] échantillon /[ 4 He] air = 0,92 ± 0,10 (analyses : B. Marty, laboratoire de géochimie isotopique de Nancy). Le CO 2 de l atmosphère souterraine est d origine biogénique, avec une source probable dans les sols. Des mesures en cours dans le sol à Orgnac montrent que des teneurs en CO 2 de 3 % vol. ne sont pas exceptionnelles et peuvent être du même ordre ou supérieures à celles dans l atmosphère des cavités sous-jacentes. Cependant, les données spatiales et les chroniques enregistrées dans l atmosphère des cavités montrent une complexité très supérieure à la variation saisonnière des pco 2 des gaz des sols. 4. Les données spatiales Les profils de teneurs en CO 2 réalisés au détecteur infrarouge, depuis l entrée naturelle jusqu au fond (figure 1), montrent une forme en escalier, qui évolue 688 au cours des saisons. Les teneurs sont nettement plus élevées l été que l hiver. Tout se passe comme si, au printemps, le CO 2 envahissait la cavité à partir du fond, restait stable en été et se vidangeait progressivement en automne à partir de l entrée. Ces profils indiquent un compartimentage de la cavité pour la distribution du CO 2. Cet effet est relié à un contrôle géométrique, car la plupart des limites se superposent à des singularités morphologiques (passages étroits, changements de niveau topographique). Le confinement et l ouverture des compartiments sont dépendants de la saison : les conditions de confinement sont maximales en fin d été, alors que, l hiver, l ouverture est maximale, avec une influence dominante de l extérieur. 5. Les données temporelles Les chroniques enregistrées en deux points de la cavité au pas du quart d heure confirment la variation saisonnière (figure 2) et montrent un comportement contrasté : au «Canyon», des valeurs élevées et stables, au «Balcon des salles rouges», des variations complexes et instables dans le temps, avec une forte variabilité du signal en amplitude. Les paramètres météorologiques, pression barométrique et température de surface, contrôlent la plupart des variations de composition de l atmosphère souterraine. Des conditions stables de haute pression favorisent un confinement et des teneurs en CO 2 élevées. Les chutes de pression augmentent les échanges d air avec l extérieur et abaissent les teneurs. Sur le long terme, la teneur en CO 2 est corrélée positivement avec la pression barométrique, mais la relation pression/co 2 varie fortement avec la saison et la zone concernée. En été, au «Canyon», la relation est forte, directe, et non déphasée, caractérisant le comportement d une zone confinée ; au «Balcon des salles rouges», la relation est moins forte et le déphasage de 48 h entre la cause et l effet correspond au mécanisme des échanges gazeux. En hiver, la relation s inverse, enregistrant l évacuation du CO 2 vers l extérieur et caractérisant une zone d échange. À court terme, une corrélation inverse pression CO 2 apparaît partout en hiver, quand les teneurs en CO 2 sont les plus basses ; aux autres périodes, on peut l extraire par filtrage. La relation est instantanée et implique un transfert d énergie dans le mécanisme de cause à effet ; nous l interprétons comme un effet de pression sur la production de CO 2 : des baisses de pression favorisent l extraction d air riche en CO 2 du réseau microfissural de la roche vers la cavité. À cause du grand volume des cavités, les variations de la pression barométrique induisent des ventilations aux ouvertures naturelles et génèrent direc-

(a) (b) Figure 1. Profils des teneurs en CO 2 dans l Aven d Orgnac, montrant la «vidange» de la grotte (a), lorsque le régime d hiver se met en place, et son «remplissage» au printemps (b). La zone du canyon est un point singulier et conserve de hautes teneurs, sauf durant une courte période d hiver. Indication des points de mesure sur une coupe et un plan de l Aven d Orgnac (c). Figure 1. Profiles of CO 2 levels in the Aven d Orgnac. A gradual emptying occurs in winter conditions (a) and a filling up of the cavities at the onset of summer (b). The canyon zone is an unusual area that maintains high CO 2 levels, except during a short winter period. Measurement points are plotted on a simplified plan and crosssection of the Aven d Orgnac (c). (c) 689

Figure 2. Chronique des teneurs en CO 2 au «Balcon des salles rouges» et au «Canyon» (mesures en continu aux détecteurs infrarouge Dräger) avec les températures extérieures. Les données sont enregistrées au pas de 15 min. Figure 2. The CO 2 time series at the Balcon des salles rouges and at the Canyon (continuous measurement with a Dräger infrared detector) with surface temperatures. Data are recorded every 15 min. tement des échanges avec l extérieur. Ainsi, la pression influence-t-elle la dilution et l évacuation du CO 2 ; elle module aussi sa production dans la paroi de grotte. La teneur en CO 2 est bien corrélée à la température extérieure sur le très long terme : les hautes teneurs en période chaude et les faibles teneurs en période froide caractérisent l effet saisonnier. Des phénomènes à haute périodicité (1 à 6 h suivant les zones ou la saison) ne peuvent être reliés à aucun paramètre climatique extérieur, mais caractérisent le segment de cavité instrumenté. Ils sont interprétés comme la marque de mouvements d air (dont la teneur en CO 2 est hétérogène), en grandes cellules de convection. 6. Le fonctionnement de la cavité de l Aven d Orgnac Nous avons identifié chaque année l alternance de deux types de régimes de ventilation. En été (de mi-mai à mi-novembre), les températures moyennes journalières de surface sont au-dessus de 13 C, une situation d inversion thermique stabilise le système évitant les échanges par convection thermique avec la cavité. L atmosphère de la cavité 690 s équilibre avec les niveaux en CO 2 et en humidité du réseau microfissural, déterminant des conditions dites de confinement, qui traduisent en réalité un régime permanent d échange, dont le moteur est l écoulement au travers du réseau microfissural. De fortes variations météorologiques (effets de pression, précipitations importantes) peuvent cependant augmenter le taux d échange d air avec l extérieur. En hiver, lorsque les températures moyennes journalières extérieures passent au-dessous de 11 C, des entrées d air atmosphérique ont lieu par les ouvertures naturelles des cavités, avec une évacuation par le réseau de grandes fissures. Le moteur de l échange est la convection thermique, la ventilation de la cavité est activée et est responsable des teneurs très basses en CO 2 par dilution. Ces conditions persistent tant que la température dans l Aven est plus élevée que la moyenne des températures de surface. Ce régime d échange et de ventilation produit l ouverture successive des compartiments (identifiés sur les profils de CO 2 ) à l influence extérieure. Les effets thermiques du changement de régime de ventilation sont eux aussi retardés vers le fond de la cavité. Cependant, certaines zones très confinées (zone du canyon) peuvent ne pas être affectées. Au printemps, le confinement s installe à nouveau progressivement dans toute la cavité.

Figure 3. Trois événements successifs de vidange de la zone du «Canyon» (V1, V2, V3) au cours de l hiver 1997. Les vidanges sont instantanées et reliées en partie à des variations de la pression barométrique ; les remplissages durent une semaine et se font à vitesse quasi constante. Figure 3. Three successive emptying events at the Canyon zone (V1, V2, V3) during the winter of 1997. The emptying is virtually instantaneous and related to pressure variation. Filling periods last about one week at a nearly constant rate. 7. Quantification de la production de CO 2 souterrain Dans le «Canyon», les teneurs en CO 2 fluctuent généralement entre 3 et 4 %. Cette zone est limitée par un front aérodynamique, avec un très fort gradient de concentration en CO 2 (de0,5à4%vol.sur1à2m); elle est très confinée et peut être considérée, à cette échelle, comme un système fermé. La chronique de l hiver 1997 montre une exceptionnelle succession d épisodes d évacuation et de remplissage de CO 2 (figure 3). Les événements de vidange sont courts (1 à 2 h) : le front aérodynamique se brise soudainement et la ventilation naturelle chasse l air riche en CO 2, qui s évacue ensuite vers la surface. Lorsque le front se réinstalle, un nouveau remplissage a lieu ; il dure environ une semaine, avec une augmentation progressive des niveaux jusqu à l équilibre (vers 3 % vol.). À partir des remplissages successifs et comparables, on peut déduire que la production en CO 2 est approximativement constante ; le réseau microfissural de la roche en est la source la plus probable. À partir des estimations des surfaces rocheuses potentiellement productrices, du volume du «Canyon», et du temps de remplissage, on peut estimer le flux de CO 2 par unité de surface (0,004 L s 1 m 2, soit 679 g par 24 h et par m 2 )et déduire une production, pour toute la cavité, de 1,9 t CO 2 par 24 h. Ces estimations ont été comparées à des mesures directes de l évacuation du CO 2 aux entrées naturelles par intégration des vitesses de l air, des sens d écoulement et des taux de CO 2. La quantité de CO 2 expulsée quotidiennement varie de 0,7 à 4,5 t pour différentes périodes, ce qui encadre la valeur déduite précédemment. Si l on suppose que les variations spatiales des teneurs sont le résultat d une dilution par des arrivées d air extérieur dans des fissures ouvertes, on peut estimer les taux de ventilation dans chaque partie de la cavité. Dans la partie non visitée, les équilibres atteignent en été 2,5 % vol. de CO 2 ; la production estimée à partir des surfaces de roches et du flux moyen de CO 2 de 0,004 L s 1 m 2 est de 130 L s 1 d air à 4 %. Un débit d arrivée de 78 L s 1 d air extérieur permet, par dilution, de retrouver les conditions locales d équilibre à 2,5 %. Avec une vitesse moyenne de circulation d air estimée à 0,1 m s 1 dans les fissures, la 691

surface cumulée de fissures ouvertes nécessaire à la ventilation naturelle serait de 0,78 m 2, ce qui montre la sensibilité de l environnement souterrain aux modifications de certaines zones de la surface du karst. 8. Conclusions et discussion La plupart des variations des teneurs en CO 2 de l atmosphère des cavités de l Aven d Orgnac sont sous fort contrôle aérodynamique. Nous montrons que l activité et l efficacité des processus d évacuation du CO 2 sont largement dirigées par les paramètres météorologiques. Le calcul et la mesure directe des productions en CO 2 sont cohérents et indiquent qu une cavité colmatée, sans écoulement d eau notable, est un site d évacuation de quantités importantes de CO 2 vers l atmosphère. L air riche en CO 2 produit dans les sols et saturé en vapeur d eau transite en écoulement diphasique avec l eau dans le réseau microfissural. À cause des tensions superficielles, l eau continue son écoulement dans le réseau de la roche, alors que l air est drainé dans les grandes cavités et s évacue. La production est quasiment constante dans les parties profondes du réseau et permet de maintenir en permanence des teneurs élevées stables si le confinement est suffisant. Les spéléothèmes sont l un des rares marqueurs paléoenvironnementaux continentaux. Les caractères des eaux d infiltration sont enregistrés dans la concrétion, les datations et l analyse géochimique permettent de contraindre des processus de la dynamique de surface. Cependant, ces enregistrements sont hautement lacunaires et les phases d arrêt et de croissance, qui sont très souvent reliées à des fluctuations climatiques, sont non seulement contrôlées par les flux d eau, mais aussi par les gradients de CO 2 à l interface air roche. Il est nécessaire de prendre en compte dans ces analyses les modifications hautement probables au cours du temps de la géométrie des cavités et de leurs relations aérodynamiques avec la surface. Remerciements. Les auteurs remercient la Diren Rhône-Alpes, représentée par Françoise Gauquelin, pour l intérêt porté à ce travail et le support financier, la municipalité d Orgnac, représentée par M. René Ughetto, maire, ainsi que le personnel du site pour son accueil et pour son aide. Références [1] Atkinson T.C., Carbon dioxide in the atmosphere of the unsatured zone: an important control of ground-water hardness in limestone, J. Hydrol. 35 (1977) 111 123. [2] Bakalowicz M., Contribution de la géochimie des eaux à la connaissance de l aquifère karstique et de la karstification, thèse, université Paris-6, 1979. [3] Emblanch C., Les équilibres chimiques et isotopiques du carbone dans les aquifères karstiques, thèse, université d Avignon, 1997. [4] Fleyfel M., Étude hydrologique, géochimique et isotopique des modalités de minéralisation et de transfert du carbone dans la zone d infiltration d un aquifère karstique : le Baget (Pyrénées ariégeoises), thèse, université Paris-6, 1979. [5] Mangin A., Pour une meilleure connaissance des systèmes hydrologiques à partir d analyses corrélatoires et spectrales, J. Hydrol. 67 (1984) 25 43. [6] Mangin A., Karst hydrogeology, in : Groundwater Ecology, Academic Press, 1994, pp. 13 67. [7] Renault P., Sur la distinction de plusieurs régions karstiques en raison de la teneur en anhydride carbonique des atmosphères de grottes, C. R. Acad. Sci. Paris 267 (1968) 2288 2290. [8] Roques H., Chimie des carbonates et hydrogéologie karstique, Phénomènes karstiques, Mémoires et Documents CNRS 4 (1967) 113 141. [9] Wood W.W., Petraitis M.J., Origin and distribution of carbon dioxide in the unsaturated zone of the southern High Plains, Water Resour. Res. 20 (1984) 1193 1208. [10] Wood W.W., Origin of caves and other solution openings in the unsaturated (vadose) zone of carbonate rocks: a model for CO 2 generation, Geology 13 (1985) 822 824. 692