Chapitre 9 - - Hydrologie & pédologie PDF

Preview

Summary

Chapitre 9 : Formation, évolution et classification des sols : 1/ Principes de base et phases de la pédogénèse : La formation d’un sol est un phénomène multidimensionnel contrôlé par 5 facteurs écologiques :  Le matériel minéral parental, autrement dit, la roche mère ;  Le...

Description

Chapitre 9 : Formation, évolution et classification des sols : 1/ Principes de base et phases de la pédogénèse : La formation d’un sol est un phénomène multidimensionnel contrôlé par 5 facteurs écologiques :  Le matériel minéral parental, autrement dit, la roche mère ;  Le climat. Par exemple, les podzosols se forment en climats froids ;  Le relief où le sol diffère selon l’altitude. En haut de colline, le sol est plus sensible au vent et à la pluie (érosion importante). Par ailleurs, en bas de versant, le sol est plus épais à cause des apports de sol du haut de versant ;  Les êtres vivants et la matière organique qui structurent et modifient ce sol ;  Le temps car l’âge du sol influe sur la forme, l’épaisseur et l’évolution du sol. À la surface de la terre, on a une gamme infinie de sols. Chaque sol est différent avec des propriétés (pH, CEC, taux d’argiles, etc.) qui dépendent des facteurs de formation. Trois groupes de phénomènes interviennent au cours de la pédogenèse :  Les transformations bio-physico-chimiques telles que l’altération minérale (décarbonation des sols), la biominéralisation et l’humification ;  Le transport de matière dissoutes et en suspension tels que la lixiviation (transport des cations vers les horizons les plus profonds) et le lessivage (transport des particules et des argiles) ;  La fragmentation et le brassage mécanique tels que la bioturbation ou la cryoturbation. Ce sont des remaniements du sol suite à des phénomènes climatiques ou à cause des organismes vivants. La pédogenèse est un processus qui se fait en 3 phases :  Altération de la roche mère ;  Incorporation de matière organique ;  Migration et accumulation par transfert de matière au sein du système sol ;

La pédogenèse est un processus très long qui ne s’arrête jamais.

L’altération de la roche mère peut durer des centaines d’années. Cela permet l’exportation des éléments minéraux primaires ainsi que la formation d’élément minéraux secondaires à partir des minéraux primaires ou hérités.

a) Les 3 phases de la pédogenèse : La première phase correspondant à l’altération permet la formation d’un minéral apte à intégrer la vie à partir d’une roche mère inerte. Celle-ci est sous l’influence de facteurs permettant sa désagrégation physique (température et présence de racine) et son érosion (vent, eau, présence d’un glacier). Le substrat parental peut aussi subir des altérations chimiques telles que les hydrolyses, les dissolutions et les oxydoréductions. La deuxième phase correspondant à l’incorporation de matière organique permet la formation de la « terre » et du complexe argilo-humique. Cela se fait à partir de plantes pionnières (plantes de rocailles, mousses, lichens, etc.) qui sont à l’origine de la formation d’une litière. L’activité biologique augmente et est le résultat du mélange de la matière organique avec les minéraux. La troisième phase correspondant au transfert de matières permet la formation des horizons différenciés suite aux transferts de matière. Ces horizons subissent des modifications par des phénomènes bio-physicochimiques. À partir de la surface, on observe la lixiviation des ions (entrainement des ions en solution par l’eau gravitaire), le lessivage des argiles en suspensions et la chéluviation des chélates. À partir des zones plus profondes, on observe une remontée d’eau de la nappe par capillarité, l’absorption des ions par les plantes et l’évaporation des ions et des sels solubles.

b) Influence du matériel parental En fonction de la roche mère que l’on a, on obtient des minéraux primaires différents qui sont responsables de l’acidité (ou non) du sol :  Granite. Sol Acide  Rhyolite.  Andésite.  Basalte. Sol Ultrabasique  Péridotite. On considère que les minéraux sont d’autant plus vulnérables que leurs conditions de genèse diffèrent de celles qui règnent à la surface. Souvent, les premières étapes d’altération de la roche mère sont l’altération physique et la désagrégation mécanique. On a ensuite des réactions biogéochimiques :  Hydrolyse (action de l’eau) totale ou partielle ;  Hydratation (décarbonation) ;  Dissolution, réduction et oxydation. La constitution physique et la dureté de la roche mère ont aussi un rôle important. Une roche cristalline est une roche imperméable à l’eau. Le processus d’entrainement des ions ou des argiles est bloqué. On a donc un sol moins évolué.

Une roche fissurée par des failles ou des diaclases est perméable à l’eau. La dureté joue un rôle : plus la roche mère est tendre, plus il est facile de la dégrader :  Les roches tendres sont le grès, la marne, la molasse (roche sédimentaire provenant de couches de graviers agglomérées) et la craie ;  Les roches dures sont le granite et le calcaire compact. La composition chimique est aussi importante :  Les roches calcaires donnent des sols basiques ;  Les roches silicatées donnent des sols acides ;  Les roches granitiques (ou sur gneiss) donnent des sols acides. La teneur en fer de la roche influence le type de sol et le type d’humus. Une roche riche en Fer va donner un mull (conditions climatiques tempérées). Le Fer va permettre l’évolution du sol vers un sol brun (brunisol) à pH de 6,5 à 7. Si l’activité des microorganismes est bonne, le Fer lie les particules d’argiles et d’humus. La couleur brune provient des hydroxydes et des oxydes de Fer. S’il y a peu de Fer, le sol reste acide (podzosol) et la litière ne s’humifie que très lentement (Mor). Les roches riches en ions Ca, Mg et K vont donner des sols généralement fertiles. C’est, par exemple, le vas d’un sol issu de basaltes. Les sols issus de moraines de fond (compact) ont souvent des problèmes d’excès d’eau : elle n’arrive pas à s’écouler. Par ailleurs, les sols issus de moraines jurassiennes sont pauvres en Fer : ils n’évoluent pas et donnent des rendosols. La présence de CaCO3 dans les roches calcaires est souvent le signe de la présence d’impuretés (argiles héritées).

c) Exemple d’altération de la roche mère : Toutes les roches sont capables de subir l’altération, même les plus compactes comme le granite. Le granite est une roche plutonique à texture grenue formée par le refroidissement du magma en profondeur. Sous l’effet de l’altération, il est à l’origine de la formation d’oxydes de fer.

1. Granite sain

2. Granite pourri

3. Arène granitique

La roche n°1 est formée de quartz (gris), de feldspath (blanc) et de biotite/mica (noir). Sous l’effet de l’altération, une auréole brune d’oxyde de Fer se forme autour des cristaux de biotite. On parle de granite pourri (roche n°2). La biotite altérée est à l’origine des particules d’argiles. Les feldspaths sont aussi altérés. Seul le quartz résiste bien à l’altération. On obtient alors un sable de plus en plus fin : l’arène granitique (roche n°3). Donc même un granit à tendance à s’altérer car les biotites sont facilement oxydables. On a alors apparition des argiles puis des sables (issus du quartz).

2/ Facteurs influençant la pédogenèse : a) Influence du climat : Sur Terre, on a des grands types de sols en fonction du climat. On peut alors relier le type de sol au climat correspondant. Les principales régions d’identification des sols sont directement liées aux climats. Les influences du climat sont :  Le froid et l’alternance gel-dégel qui produit des fissures ;  Le vent qui permet l’érosion éolienne ;  Les fortes précipitations  L’effet chimique de transport des particules. L’eau emporte un certain nombre d’éléments (Ca, Mg et K). Le sol s’acidifie. Le climat a une influence sur l’évolution des minéraux primaires. En climat tempéré, on a une hydrolyse progressive des minéraux primaires mais elle est incomplète. En climat tropical, l’hydrolyse est totale : les minéraux s’appauvrissent en silice (désilicification). On assiste à la formation d’oxydes (ferrallitisation) tels que la Goethite FeO(OH) et la Gibbsite Al(OH)3. Le phénomène d’altération est plus important qu’en climat tempéré et est à l’origine d’un lessivage intense ainsi que d’une néoformation d’argile à partir de la silice. Le climat a aussi une influence sur l’évolution des sols :  Si les précipitations sont supérieures à l’ETP, alors on a :  Une décarbonatation ;  Une désaturation du complexe d’échanges par perte de Ca2+, de Na+ et de K + mais avec un remplacement par l’Aluminium. On a donc une acidification du sol.  Si les précipitations sont inférieures à l’ETP, alors on a une tendance au chemin inverse car il n’y a pas de lessivage. Les processus liés à l’humification en climats froids ou tempérés sont la décarbonatation, la décalcification, la brunification, le lessivage, la podzosolisation et l’andosolisation. Les processus conditionnés par de forts contrastes saisonniers en climats continentaux sont la mélanisation, la calcification et la vertisolisation.

Les processus à base d’altération géochimique prolongée en climats méditerranéens, tropicaux et équatoriaux sont la fersiallisation, la ferrugination et la ferrallitisation. Les processus liés aux conditions physico-chimiques sous tous les climats sont l’hydromorphie, la salinisation, la sodisation, l’alcalinisation et la sulfatoréduction.

b) Influence du relief : Si les matériaux parentaux sont stabilisés dans l’espace, on a de faibles apports exogènes et une faible exportation de matériau. En haut de versant, les sols sont peu profonds et soumis à une altération rapide et peu importante. Mais la pente permet une tendance à raviner vers le bas (accumulation de particules). Les alluvions correspondent alors à l’apport des particules par l’eau. Les colluvions correspondent à un transport par gravité d’un relief plus élevé vers un bas de versant. Généralement, on parle de colluvio-sols. La topo-séquence est la séquence du sol en fonction de la pente. La forme de la pente renseigne la distribution des sols sur le terrain. On a aussi une climo-séquence (fonction du climat), une chronoséquence (fonction du temps) et une bio-séquence (fonction de la végétation).  Climat et végétation : Le climat et la végétation sont fortement liés au relief. Avec l’altitude, le climat change ainsi que la végétation. On a donc une forte influence sur le type de sol.  Climat et relief : Dans le cas des volcans d’Auvergne, le climat montagnard est assez agressif. Les roches sont particulièrement altérables car divisées (cendres et lapillis). Elles sont aussi largement vitreuses au lieu d’être parfaitement cristallisées. Ces roches s’altèrent très facilement et très rapidement. Elles fournissent des tétraèdres de silices et des chaines aluminiques. Si le climat avait été chaud et sec, il y aurait eu co-précipitation et formation d’alumino-silicates (argiles). Mais en climat froid et humide, la matière organique est abondante dans les sols. Elle bloque l’évolution vers les silicates : c’est l’andosolisation. La formation d’andosols avec de fortes capacités d’échanges d’anions et de rétention exceptionnelles en eau est due à un sol riche en matière organique.

c) Influence des organismes du sol La contribution des matières organiques « mortes » à la formation des sols permet la constitution d’un pool de matières organiques du sol comme composante majeure à la définition de ce sol. La matière organique apporte dans le sol de la richesse en éléments organique. Les organismes favorisent la formation du CAH.

Le recyclage des constituants organiques se fait par :  Minéralisation selon un processus bio-physico-chimique de transformations de la matière organique en minéraux ;  Humification selon un processus biochimique de néo-synthèse de substances organiques par augmentation de la taille de certaines molécules ;  Assimilation par les microorganismes et implication de la faune du sol.

d) Influence des végétaux : Les plantes fournissent la matière organique indispensable à la formation des sols. Ils constituent les organismes pionniers dans la colonisation des sols. Les mousses et les lichens captent les éléments de l’atmosphère et n’ont pas besoin de beaucoup d’éléments minéraux provenant de la roche mère. Les plantes peuvent fissurer la roche mère et la dégrader de façon mécanique. Elles ont un effet physique par augmentation de la surface spécifique. Elles ont un effet biologique en puisant les ions et en les remontant. Elles jouent directement sur le pH du sol (certaines font remonter un pH trop acide mais les autres acidifient surtout le sol). Les végétaux sont aussi responsables de la composition minérale :  Les horizons superficiels sont enrichis en Potassium, Magnésium et Calcium ;  Sur une roche acide, le pH du sol peut remonter de 5 à 6,5 ;  L’extraction de potassium par les plantes permet la déstabilisation des minéraux micacés et des argiles : on a alors une acidification du sol.

e) Influence de la faune du sol : La faune du sol a une influence car elle participe à la décomposition primaire. C’est l’ensemble des processus initiaux qui modifient les tissus morts de la végétation (litière) par :  Lyse des cellules ;  Libération de molécules solubles ;  Fragmentation physique des tissus ;  Colonisation par les décomposeurs saprotrophes (procaryotes et champignons). Ceux-ci sécrètent des enzymes pour une digestion extracellulaire de la litière. Ils dépendent de la fragmentation de la litière par la macrofaune et autres invertébrés. La fragmentation par la faune détritivore (saprophage) permet :  L’augmentation des surfaces d’attaques ;  La redistribution de la matière organique sans changement de la nature chimique ;  La consommation de microbes ;  L’excrétion d’azote et de phosphore. Une des méthodes d’étude de l’impact de la macrofaune du sol sur la décomposition utilise les « litterbags ». En effet, le but est de suivre le taux de perte de poids de la litière dans des « litterbags » témoins et des « litterbags » d’exclusion de la faune au cours du temps.

On utilise alors une équation de type : −kt

W t =W 0 ×e

Avec, k, le taux de perte de poids au cours du temps t. Et, W t, le poids sec final de la litière. Et W 0, le poids sec initial de la litière.

f) Influence du temps : Un sol vieux ne signifie pas forcément qu’il est plus évolué qu’un sol plus jeune. Il faut donc différencier l’âge d’un sol, et son évolution. L’âge correspond à l’âge de la roche à l’heure actuelle (le point 0 correspondant à la fin des glaciations). L’évolution correspond au fait qu’un sol est évolué s’il a subit des

transformations (transfert de matière).

g) Grandes étapes de la pédogenèse : À partir de l’altération, on va avoir mise en place d’un sol à proprement parler. Les sols peuvent être contrôlés par 3 grands types de pédogenèse :  L’altération minérale ;  La dégradation de la matière organique ;  Les facteurs de stations tels que le climat, l’hydrologie, l’érosion et l’anthropisation.

 Profil de sol : C’est la délimitation des horizons et de leurs transitions. On parle de profil ou de solum. Pour les définir, on utilise les caractères apparents :  La couleur ;  La présence d’éléments grossiers (cailloux et graviers) ;  L’effervescence à l’acide (pour les sols calcaires) ;  La structure (présence d’agrégats ou non) ;  L’enracinement et la quantité de matière organique. La conformation visuelle du sol indique donc le type de pédogenèse prépondérant dans l’histoire du sol. On peut donc en déduire le nom de ce sol.

 Formation des sols : formation des horizons : La structure en horizons est progressive grâce aux infiltrations d’eau qui permettent de fabriquer des minéraux secondaires.

L’eau, l’activité biologique et l’atmosphère font que le premier horizon a une quantité plus importante de matière organique. L’acquisition d’une structure en horizons est plus ou moins parallèle à la surface du sol. En règle générale, un horizon mesure au moins 10 cm de haut. Sinon, on parle de zone de transition.

h) Altération des roches :  Altération physique : L’altération physique est la fragmentation de la roche en éléments plus petits de même nature. Elle dépend de plusieurs paramètres :  Le climat (pluviométrie et variations de température) ;  La structure de la roche (schistosités, fractures et porosités) ;  La nature et la diversité des minéraux présents ;  L’activité biologique (animale et végétale). L’infiltration de l’eau dans les fractures provoque l’altération chimique de la roche et aussi sa fragmentation en blocs.

 Altération chimique : L’altération chimique est l’ensemble des réactions chimiques qui affectent les minéraux lorsqu’ils sont soumis aux conditions physicochimiques de la surface terrestre. Elle est d’autant plus forte que les conditions de surface jouent un plus grand rôle que les conditions profondes. Les conditions de surface sont :  Une grande présence d’eau ;  Une quantité importante d’oxygène libre :  Des températures basses (0 à 50°C) ;  Une pression égale à la pression atmosphérique ;  Une activité biologique due à la présence d’organismes vivants. Les conditions profondes sont :  Une absence d’eau ;  Une présence d’oxygène mais sous sa forme « minérale » ;  Des températures élevées (200 à plus de 1.000°C) ;

 Une pression très élevée ;  Une absence d’activité biologique.

L’importance de l’altération chimique dépend de plusieurs paramètres :  Le temps ;  La nature des minéraux présents (type de roche) ;  Le climat (température, pluviométrie et drainage) ;  L’activité biologique (respiration des organismes du sol qui relargue de l’O 2 dans le milieu). L’altération se fait toujours en présence d’eau : elle a donc lieu en climat humide.

 Altération météorique : L’altération météorique est liée à l’acidité des précipitations (présence de CO 2 dans les pluies acides). L’intensité de l’altération dépend du temps (cas des obélisques égyptiens) et du type de matériau (cas des tombes de calcaires). La percolation de l’eau météorique (plus ou moins chargée en CO2 et en acides humiques) sur des roches mères carbonatées forme des karsts. L’acide dissout les carbonates. Le CO2 restant s’évapore (milieux aérés) et l’équilibre est déplacé vers la droite. On a alors formation de Lapiaz, de Dolines et de Spéléothèmes.

 Altération chimique des métaux : L’altération chimique des métaux lourds permet la pollution des eaux de drainage miniers. Beaucoup de métaux de base (Fe, Zn, Cu et Pb) et de métaux précieux (Cd, In, Ge, Au, Pt et Ag) sont sulfurés. Exposés à l’air et à l’eau, ces minerais s’oxydent et se dissolvent pour produire de l’acide sulfurique et des métaux lourds dissous. L’altération d’un sulfure de fer permet l’acidification des eaux de ruissellement et la pollution des eaux par les métaux lourds (restent dissous car plus solubles que le Fer III). On a alors l’équation bilan suivante :

4FeS2 + 15O2 + 14H2O  4Fe(OH)3 + 8SO42- + 16H+

i) Types de réactions chimiques : On peut avoir des phénomènes :  De dissociation  De décarbonation  D’hydratation  D’hydrolyse  D’oxydoréduction

NaCl  Na+ + ClCaCO3 + H2O + CO2  Ca2+ + 2HCO3- (calcite) Fe2O3 + H2O  2FeOOH Minéral silicaté + H+  Minéral résiduel + H4SiO4 + cations 4FeS2 + 15O2 + 14H2O  4Fe(OH)3 + 8SO42- + 16H+

On a une dissolution incongruente lorsque les rapports molaires des éléments dans les produits dissous ne sont pas égaux à ceux dans le réactif solide. Il y a alors formation d’une phase solide résiduelle.

 Oxydoréduction : L’équation de Nernst donne le potentiel d’équilibre de l’électrode par rapport au potentiel standard du couple redox en jeu :

−¿ → y x Oxy+n e¿ E=E 0 +

[ oxy] 0,059 log n [¿ ] y

x

Avec, E0, le potentiel de réduction standard (à 25°C, à 1atm et à 1 mol/L) mesuré par rapport à

EH H2 ¿

+¿

l’électrode standard d’hydrogène.

est arbitrairement défini par E0 = 0. Et, n, le nombre

d’électrons intervenant dans la réaction. Plus E0 est élevé, plus la demi-réaction directe (réduction) est favorisée. Par exemple, pour le Fer, on a:

O2 + 4H+ + 4e-  2H2O E0 = 1,223