Le Tuf de la Sône EarthCache

Le tuf de la Sône est une roche poreuse. Elle se laisse assez facilement découpée. Elle a permis de construire de nombreux bâtiments :

à la Sône et dans les alentours, comme à St Antoine l’Abbaye. Mais aussi plus loin comme à Oyeu avec son église (voir cache GC74KK8 – Eglise St Pierre St Paul).

Pour comprendre sa formation, nous allons faire quelques rappels de chimie sur les équilibres.

1/ Acidification de l’eau de pluie

L’eau de pluie est naturellement acide (pH=5,5) du fait de l’équilibre chimique suivant :

CO_2(aq) + 2 H₂O_(l) <=> HCO₃^-_(aq) + H₃O⁺ (a)

Il s’agit de la reaction acido-basique entre le dioxyde de carbone de l’air, dissous dans l’eau et l’eau (base). Cette réaction est très peu déplacée.

En effet la constante de la réaction associée vaut K_a = 4,0.10^-7 = [HCO₃^-]_f x [H₃O⁺]_f / [CO₂]_f

(rappelons que la notation entre crochets [ ]_f signifie concentration molaire à l’état final)

2/ L’eau de pluie tombe dans le sol

Supposons que l’eau de pluie tombe  sur un sol riche en matières organiques et en bactéries. La respiration des bactéries produit du CO₂.

Dans ce cas, le quotient de réaction de l’équilibre (a) qui vaut Q_r,a = [HCO₃^-] x [H₃O⁺] / [CO₂]  va diminuer car [CO₂] augmente. La théorie prévoit que si Q_r,a < K_a alors la réaction va avoir lieu dans le sens direct pour rétablir l’équilibre, c'est-à-dire parvenir à Q_r,a(final) = K_a. Le CO₂ excédentaire va être consommé pour former des ions HCO₃^- et des ions H₃O⁺.

3/ L’eau s’infiltre davantage : dissolution du carbonate de calcium

Si l’eau s’infiltre davantage, le sol ne contient plus de matière organique. Si le terrain est calcaire, alors un autre équilibre intervient :

CaCO_3(s) <=> Ca²⁺_(aq) + CO₃^2-_(aq) (b)

La constante de cette reaction de dissolution est K_b = 4,0.10^-9 = [Ca²⁺]_f x [CO₃^2-]

La réaction est peu déplacée. Mais elle entraîne la mise en solution d’ions CO₃^2- et d’ions Ca²⁺

Par ailleurs, cette réaction entraîne la fracturation du calcaire (formation et agrandissement des fissures)

4/ 3^ème équilibre : formation d’ions HCO₃^-

Un 3^ème et dernier équilibre vient réguler les concentrations des ions en présence :

CO_2(aq) + CO₃^2-_(aq) + H₂O <=> 2 HCO₃^-_(aq)  (c)

La constante de cette reaction est K_c = 7,9.10³ = [HCO₃^-]_f ² / ( [CO₂]_f x [CO₃^2-]_f ) 

La réaction est assez déplacée. Ce qui entraîne un stockage des ions HCO₃^- au détriment des ions  CO₃^2- . Cela contribue encore à la fracturation du calcaire CaCO₃ (équilibre (b) allant dans le sens direct pour compenser le départ des ions CO₃^2- )

5/ Et si l’eau ressort à l’air libre ?

Tous les équilibres vont être bouleversés si l’eau parvient à l’air libre. Dans ce cas, [CO₂] va diminuer car ce gaz dissous va se libérer dans l’atmosphère sous l’effet d’une pression réduite. L’eau n’est plus compressée par les roches.

C’est le même phénomène qui se produit lorsque l’on ouvre une bouteille d’eau gazeuse ou de champagne : au contact de l’air ambiant à plus basse pression que dans la bouteille, le CO₂ dissous passe dans l’air, ce qui provoque la formation de bulles.

Si [CO₂] diminue, alors le quotient de réaction de la réaction c Q_r,c = [HCO₃^-] ² / ( [CO₂] x [CO₃^2-] ) va augmenter. Donc Q_r,c > Kc 

Pour rétablir l’équilibre, la réaction (c) va avoir lieu dans le sens indirect avec formation d’ions CO₃^2-

Conséquence : pour l’équilibre (b), Q_r,b = [Ca²⁺]_f x [CO₃^2-] _f augmente et Q_r,b > K_b

La réaction (b)  va avoir lieu dans le sens indirect pour rétablir l’équilibre et faire diminuer Q_r,b

Mais avec un 2^nde conséquence : la formation et le dépôt de calcaire CaCO_3(s)

6/ Résumé de la formation du calcaire

Si l’on reprend la réaction (c) et que l’on ajoute un ion Ca²⁺ de chaque côté (ce qui est le cas du fait de l’équilibre b), on obtient :

CO_2(aq) + CO₃^2-_(aq) + Ca²⁺_(aq) + H₂O_(l)  <=> 2 HCO₃^-_(aq) + Ca²⁺_(aq)

Cela équivaut à

CO_2(aq) + CaCO_3(s) + H₂O_(l)  <=> 2 HCO₃^-_(aq) + Ca²⁺_(aq)  équilibre global (d)

CaCO_3(s) est le calcaire.

Si [CO₂] augmente (eau infiltrée),

alors la réaction globale (d) a lieu dans le sens direct avec dissolution du calcaire.

Si [CO₂] diminue (eau qui ressort de la roche),

alors la réaction globale (d) a lieu dans le sens indirect (inverse) avec formation et dépôt du calcaire

Remarque : les dépôts calcaire peuvent atteindre entre 1 mm/an à 30 mm/an.

7/ Facteurs pouvant influencer la formation du calcaire

Tout paramètre favorisant le passage du CO₂ dissous à l’atmosphère, contribuera à la formation du calcaire

Exemples de conditions favorisant le phénomène :

• Au niveau d’une cascade : l’agitation de l’eau et son mélange avec l’air
• Si le niveau du cours d’eau est faible : pour maintenir le débit, la vitesse de l’eau doit augmenter. Les dépôts calcaire augmentent. Le niveau d’eau est encore plus faible, et la vitesse augmente. Cela s’observe sur des portions avec une pente peu élevée.
• Présence accrue de lumière (liée à la condition précédente) favorisant la pousse des végétaux et donc l’absorption de CO₂
• Un obstacle sur un cours d’eau peut contribuer à élever localement le débit
• La présence de végétaux (mousses, herbes…) : ils consomment le CO₂ pour leur photosynthèse ce qui contribue au dépôt de calcaire. Dans le cas d’un végétal plus massique (branche, arbre), la décomposition ultérieure du végétal contribue à créer des trous dans les dépôts calcaires.
• Une variation locale de température ou de pression

8/ Cas du tuf

Le tuf calcaire est une roche qui résulte des dépôts calcaires (voir paragraphes précédents) et qui inclut des traces de végétaux ou de coquilles. Les dépôts se sont la plupart du temps faits le long de végétaux (mousses…) qui sont pétrifiés petit à petit, le calcaire s’accumulant. Le végétal meurt, et on obtient une roche poreuse, assez dure, et se prêtant bien à la construction : à la fois résistante, isolante (présence d’air au milieu qui est un isolant), légere (matériau poreux) et économique car produite sur place. Hormis son aspect de surface qui peut rebuter, le tuf était un matériau beaucoup utilisé jusqu’à la fin du XIXème siècle et dans les alentours. On en retrouve même dans les voûtes de la basilique de Fourvière à Lyon (tuf du Bugey), mais recouvert d’enduit. De nombreux bâtiments de la Sône sont réalisés en tuf : église, château, maisons, immeubles…Et on retrouve non loin de la commune des carrières.

Pour résoudre cette earthcache, se garer aux parkings préconisés : P1 et P2 en période creuse, P3 en cas d’affluence.

Puis se rendre au point R0 (coordonnées de la pages de présentation de la cache).

Vous êtes à côté de l’ancien pont, construit en 1953. Il est réalisé en tuf.

1/a/ Observer les pierres de l'ancien pont : il est fait en tuf. Décrivez la pierre : sa couleur ? sa texture ?

b/ Le tuf a été exploité jusqu’à la fin du XIXème siècle. Les blocs étaient chargés et transportés sur des radeaux de bois. Jusqu’à quelle ville du sud de la France ?

Se rendre ensuite au point R1 suivant les panneaux indiquant la promenade des tuffières

Vous arrivez face à une cascade pétrifiante, avec trois couleurs dominantes : vert, marron et blanc

2/a/ Toucher les végétaux verts : comment sont-ils ? mous ? durs ? autre ?

b/  Toucher les végétaux marrons : comment sont-ils ? mous ? durs ? autre ?

c/ Toucher les végétaux blancs : comment sont-ils ? mous ? durs ? autre ?

d/ Regarder sous les végétaux verts : que voit-on ?

e/ Citer 2 paramètres ayant favorisés la formation ici d’une cascade pétrifiante ?

f/ Au niveau des végétaux, la réaction CO_2(aq) + CaCO_3(s) + H₂O_(l)  <=> 2 HCO₃^-_(aq) + Ca²⁺_(aq)  a-t-elle lieu dans le sens direct (normal) ou dans le sens indirect (inverse) ?

Se rendre maintenant au point R2.

3/a/ Qu’observez vous ?

b/ Quel paramètre a permis la formation d’un tel phénomène ici ?

c/ Toucher le dépôt : comment est-il ? mou ? dur ?

Se rendre maintenant au point R3

Vous êtes face à une ancienne carrière de tuf.

4/a/ Qu’est-ce qui fait penser qu’on est face à une ancienne carrière ?

b/ Prenons l'hypothèse d'une vitesse de dépôt minimale (voir paragraphe 6/). En sachant que le rocher mesure 21m de haut, estimer le temps qu'il a fallu pour former ce rocher ?

Dernière étape : revenir au point initial R0, puis rejoindre le parvis de l’église (point R5) en passant par un chemin en escalier qui passe par R4.

Une bonne partie du village de La Sône est bâti en tuf. L’église, construite au XIIème siècle et qui dépendait de l'abbaye de Cluny, en est un bel exemple. Et l’on voit que le tuf permet d’élever de hauts murs qui durent dans le temps.

Se positionner à droite de l’église, devant une petite porte (rectangle jaune).

Les couleurs bleue, rouge et verte correspondent à 3 matériaux que l’on trouve dans les environs : du tuf, de la molasse (grise et très friable – se raye facilement et part en poudre – l’abbaye de St Antoine a été construise avec ce matériau), du calcaire blanc (certainement de l’Echaillon, près de Voreppe)

5/a/ Associer à chaque couleur le matériau correspondant

b/  Le tuf a beaucoup de qualités. Mais donner au moins 1 défaut ?

c/ Pourquoi a-t-on utiliser du calcaire à certains endroits ? (y compris pour le porche de l’église)

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The Sone tuff is a porous rock. It can be easily cut. It has built many buildings:

In the Sône and around, as in St Antoine the Abbey. But also further as in Oyeu with its church (see cache GC74KK8 – Eglise St Pierre St Paul).

To understand its formation, we will make some chemistry reminders on balances.

1/ Acidification of rainwater

Rainwater is naturally acidic (pH=5.5) due to the following chemical balance:

CO_2(aq) + 2 H₂O_(l)<=> HCO₃^-_(aq) + H₃O⁺ (a)

It is the acido-basic reaction between the carbon dioxide of the air, dissolved in water and water (base). This reaction is hardly inappropriate.

Indeed the constant of the associated reaction is K_a = 4,0.10^-7 = [HCO₃^-]_f x [H₃O⁺]_f / [CO₂]_f

 (Note that notation between brackets [ ]_f means molar concentration at end state)

2/ Rainwater falls into the ground

Suppose rainwater falls on a soil rich in organic matter and bacteria. Breathing bacteria produces CO2_.

In this case, the equilibrium reaction quotient (a) that is qr_{,a = [HCO}3-_{] x [H}^3O+] / [CO_2]  will decrease as [CO2] increases. Theory predicts that if qr_{,a < K}a then the reaction will take place in the direct direction to restore equilibrium, that is to say reach qr ,a(final) = K_a. The excess CO2 will be consumed to form HCO^3- and H₃O⁺ ions.

3/ Water infiltrates further: dissolution of calcium carbonate

If water infiltrates further, soil no longer contains organic matter. If the ground is limestone, then another balance occurs:

CaCO_3(s) <=> Ca²⁺_(aq) + CO₃^2-_(aq) (b)

The constant of this dissolution reaction is Kb = 4,0.10^-9 = [Ca²⁺]_f x [CO₃^2-]

The reaction is not inappropriate. But it leads to the solution of CO₃^2- and Ca²⁺  ions

>In addition, this reaction results in limestone fracturing (crack formation and widening)

4/ 3rd balance: ion formation HCO^3-

A third and final equilibrium regulates ion concentrations presence:

CO_2(aq) + CO₃^2-_(aq) + H₂O <=> 2 HCO₃^-_(aq)  (c)

The constant of this reaction is K_c = 7,9.10³ = [HCO₃^-]_f ² / ( [CO₂]_f x [CO₃^2-]_f ) 

The reaction is quite inappropriate. This results in the storage of HCO₃^-  ions  at the expense of CO₃^2- ions. This still contributes to the fracturing of CaCO₃ limestone (balance (b) going in the direct direction to compensate for the departure of CO₃^2- ions)

5/ What if the water comes out in the open?

All the balances will be upset if the water reaches the open air. In this case, [CO₂] will decrease as this dissolved gas will release into the atmosphere under reduced pressure. Water is no longer compressed by rocks.

It is the same phenomenon that occurs when a cylinder of gaseous water or champagne is opened: in contact with the ambient air at lower pressure than in the cylinder, the dissolved CO2 passes into the air, causing the formation of bubbles.

If [CO2] decreases, then the reaction quotient c Q_r,c = [HCO₃^-] ² / ( [CO₂] x [CO₃^2-] )  will increase. So Q_r,c > Kc 

To restore equilibrium, the reaction (c) will take place in the indirect direction with the formation of ions CO₃^2-

Consequence: for balance (b), Q_r,b = [Ca²⁺]_f x [CO₃^2-]_f  increases and Qr,b > K_b

Reaction (b)  will occur indirectly to restore balance and decrease Qr,b.

But with a second consequence: the formation and deposit of CaCO_3(s) limestone

6/ Summary of limestone formation

If the reaction (c) is repeated and a Ca²⁺ ion is added on each side (which is the case with equilibrium b), the result is:

CO_2(aq) + CO₃^2-_(aq) + Ca²⁺_(aq) + H₂O_(l)  <=> 2 HCO₃^-_(aq) + Ca²⁺_(aq)

This is equivalent to

CO_2(aq) + CaCO_3(s) + H₂O_(l)  <=>₃^-_(aq) + Ca²⁺_(aq)  équilibre global (d)

CaCO_3(s) is the limestone.

If [CO₂] increases (infiltrated water),

then the overall reaction (d) takes place in the direct direction with dissolution of the limestone.

If [CO₂] decreases (water coming out of the rock),

then the overall reaction (d) takes place in the indirect (reverse) direction with formation and deposition of limestone

Note: Limestone deposits can range from 1 mm/year to 30 mm/year.

7/ Factors that may influence the formation of limestone

Any parameters promoting the passage of dissolved CO2 to the atmosphere, will contribute to the formation of limestone

Examples of conditions that promote the phenomenon:

• At the level of a waterfall: water agitation and its mixture with air
• If stream level is low: to maintain flow, water speed must increase. Limestone deposits are increasing. The water level is even lower, and the speed is increasing. This is observed on portions with a low slope.
• Increased light (linked to the previous condition) promoting plant growth and therefore CO₂ uptake
• obstacle on a river can help raise the flow locally
• The presence of plants (foams, herbs, etc.): they consume CO₂ for their photosynthesis, which contributes to the deposition of limestone. In the case of a more massive plant (branch, tree), the subsequent decomposition of the plant helps to create holes in the limestone deposits.
• Local variation in temperature or pressure

8/ Cases of the tuff

Limestone tufa is a rock that results from limestone deposits (see previous paragraphs) and includes traces of plants or shells. Most of the deposits have been made along plants (foams…) that are petrified little by little, with limestone accumulating. Vegetation dies, and one gets a porous rock, rather hard, and suitable for construction: both resistant, insulating (presence of air in the middle which is an insulation), light (porous material) and economical because produced on site. Except for its surface appearance which can rebutt, the tuff was a widely used material until the end of the 19th century and in the surrounding area. It is even found in the vaults of the Basilica of Fourvière in Lyon (tuf du Bugey), but covered with coating. Many buildings of the Sône are made of tuff: church, castle, houses, buildings… And we find not far from the town of quarries.

To solve this earthcache, park at the recommended parking lots: P1 and P2 in low season, P3 in high season

Then go to R0 (contact information of the cache presentation page).

You are next to the old bridge, built in 1953. It is made of tuff.

1/a/ Observe the stones of the old bridge: it is made of tuff. Describe the stone: its color? its texture?

b/ Tuff was exploited until the end of the 19th century. Blocks were loaded and transported on wood rafts. To what city in southern France?

Then proceed to R1 by following the signs indicating the tuffle boardwalk

You arrive in front of a petrifying waterfall, with three dominant colors: green, brown and white

2/a/ Touch green plants: how are they? soft? hard? other?

b/  Touch brown plants: how are they? soft? hard? other?

c/ Touch white plants: how are they? soft? hard? other?

d/ Looking under green plants: what do you see?

e/ Citer 2 parameters that favoured the formation here of a petrifying cascade?

f/ At the plant level, does the CO_2(aq) + CaCO_3(s) + H₂O_(l)  <=> 2 HCO₃^-_(aq) + Ca²⁺_(aq) reaction occur in the direct (normal) or indirect (reverse) direction?

Go to R2 now

3/a/ What are you watching?

b/ What parameter allowed the formation of such a phenomenon here?

c/ Touch the deposit: how is it? soft? hard?

Go to R3 now

You’re facing an old tuff career.

4/a/ What makes you think you’re facing an old career?

b/ Let us assume a minimum deposition rate (see paragraph 6/). Knowing that the rock is 21 meters high, estimate how long it took to form this rock?

Last step: return to the initial point R0, then join the church square (point R5) by going through a staircase that goes through R4.

Most of the houses in La Sône are made of tuff. The church (XIIth century, established by Cluny Abbey) is a fine example. And we see that the tuff allows to raise high walls that last in time.

Go to the right of the church, in front of a small door (yellow rectangle).

The blue, red and green colors correspond to 3 materials found in the vicinity: tufa, molasses (grey and very friable – easily scratched and powdered – the abbey of St Antoine was built with this material), white limestone (certainly from the Scallon, near Voreppe)

5/a/ Combine each colour with the corresponding material

b/  Tuff has many qualities. But give at least one defect?

c/ Why was limestone used in some locations? (including church porch)