Module PG : Pédologie et potentialité des sols

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1 Module PG : Pédologie et potentialité des sols Des approches complémentaires indispensables pour comprendre les enjeux qui pèsent sur les sols (cultivés) Hydro Pédologie aritxu Guiresse 4 cours + 1 TD Pédologie générale : Maritxu Guiresse 5 cours + 1 TD Microbiologie des sols Maialen Barret 2 cours Faune du sol Benjamin Pey 3 cours + 1 TD

2 PG 3 Pédologie Générale et potentialité des sols Maritxu GUIRESSE Introduction : savoir resituer les enjeux qui pèsent sur les sols A Les constituants minéraux Deux approches pour étudier les constituants minéraux des sols = Quantifier les teneurs en calcaire total et actif car rôle sur le ph des sols et le choix des espèces végétales 1 Taille des particules élémentaires Texture du sol 2 Nature minéralogique des particules élémentaires Utiliser les différents triangles des textures et se repérer dans les échelles texturales Les carbonates : Calcite CaCO 3 ou Dolomite Ca,Mg(CO 3 ) 2 Les silicates (= 92 % masse écorse terrestre) Source de minéraux primaires et de minéraux secondaires : rôle essentiel des phyllosilicates

3 A Les constituants minéraux 1 Taille des particules élémentaires Texture du sol 2 Nature minéralogique les phyllosilicates Confèrent aux sols des propriétés de réactivités fortes : adsorption, échanges d ions, hydratation Feuillets électriquement chargés négativement accueillant des cations utiles aux végétaux et micro organismes du sol C est la Capacité d Echange Cationiques des Argiles ou phyllosilicates

4 2 Les différents minéraux des sols 2-2 Les silicates Ils sont largement les plus abondants dans les sols et les sous-sols de la croûte terrestre (12 élmt pour 99,29 % de la masse tot) Elt majeurs > 0,1 % Elt traces < 0,1 % Quelles? Ti 0,44 H 0,14 P 0,11 Mn 0,10 Macro Elt > 0,01 % Micro ou Oligo Elt < 0,01 % Extrait de Wild, 1993

5 2 Nature minéralogique des particules élémentaires Les silicates (= 92 % masse écorse terrestre) Prédominance des silicates dans l écorse terrestre et donc dans les sols =

6 Structure en tétraèdre des silicates (d après White, 1997) Poly page 4 (Si0 4 ) 4- Les ions O 2- sont les éléments principaux des silicates, les ions Si 4+ sont toujours logés dans des lacunes tétraédriques, les autres éléments Mg, Fe, Na, K, Ca se placeront dans les lacunes restantes en fonction de leur rayon ionique. Rayon ioniques des principaux atomes constituants les minéraux (Pauling, 1949) Si Al Fe Mg Fe Na Ca K O 0,42 0,5 Ǻ 0,64 0,66 0,74 0,97 0,99 1,33 1,40

7 Classification structurale des silicates La classification des silicates est basée sur leur structure que l on décrit selon le mode d enchaînement par les sommets des tétraèdres. Les ions Mg, Fe, Na, K, Ca se placent dans les lacunes restantes selon leur taille. 1 er gpe : tétraèdres indépendants : les nésosilicates (gr nésos = île) (Si0 4 ) 4- (Fe, Mg) 2 : Péridots = Olivines Ca : grenat Zr : Zircon 2 er gpe : 2 tétraèdres liés par leur sommets les sorosilicates

8 3 er gpe : Tétraèdres liés par leurs sommets en boucles : les cyclosilicates (Si 6 O 18 ) 12- (Be 2+,Al 3+ ) Le Béryl (Emeraude, Aigue Marine), grpe de la Tourmaline des granites et pegmatites

9 Le Béryl (Emeraude, Aigue Marine), grpe de la Tourmaline des granites et pegmatites 4 er gpe : Chaînes ouvertes de tétraèdres : les Inosilicates Les Inosilicates en chaînes : Pyroxènes (Si 2 O 6 ) -4 Fe, Mg, Al : cations moyens Ca, Na : gros cations Minéraux très répandus dans les roches métamorphiques et plutoniques. Ex Augite dans les Gabbro

10 Minéraux très répandus dans les roches métamorphiques et plutoniques. Ex Augite dans les Gabbro. 4 er gpe : Chaînes ouvertes de tétraèdres : les Inosilicates Les Inosilicates en rubans : Amphiboles (Si 4 O 11 ) - 6 K, Na : gros cation Ca, Fe, Mg, Al, Ti, Si Minéraux très répandus dans les toutes les roches éruptives. Ex Amphibole sodique = Amiante.

11 Minéraux très répandus dans les toutes les roches éruptives. Ex Amphibole sodique = Amiante. 5 er gpe : Feuillets plans : les Phyllosilicates (phullon gr feuille) 6 er gpe : Tétraèdres liés par tous leurs sommets dans les trois dimensions : les Tectosilicates : Quartz et Feldspaths Feldspath potassique : Orthose [Si 3 AlO 8 ]K Plagioclase calcosodique : - Albite [Si 3 AlO 8 ]Na - Anorthite [Si 2 Al 2 O 8 ]Ca

12 Les silicates Ils sont largement les plus abondants dans les sols et les sous-sols de la croûte terrestre Ti 0,44 H 0,14 P 0,11 Mn 0,10 Poly page 4 Extrait de Wild, 1993

13 25 % 60 % Composition des principales roches éruptives (Duchaufour, 1995) selon leur structure grenue ou vitreuse (lave) et leur teneur en silice

14 Altération: ces minéraux se sont formés à haute température et en absence d'eau; en conséquence, ils seront très altérables au contact de l'humidité atmosphérique «Les minéraux sont d'autant plus altérables que leurs conditions de genèse diffèrent de celles qui règnent à la surface» (Goldich, 1938) Echelle d altérabilité des minéraux selon Goldich Ces minéraux constituent la composition des matériaux parentaux (ou roche mère) et vont s altérer au contact des conditions qui règnent à la surface du globe : les géologues parlent «d altération météorique», c est la «pédogénèse»

15 Minéraux initiaux sont dits «primaires» de nouveaux minéraux peuvent être néoformés : minéraux secondaires dont les phyllosilicates Structure des phyllosilicates (Si ) 2-

16 (Si ) 2- OH - OH -

17 O OH - (Si ) 2- OH -

18 O OH - OH - (Si ) 2- OH - (OH - ) 3 (Si ) 2- (OH - ) 4

19 O OH - OH - Al (Si ) 2- (OH - ) 4

20 Lacune tétraédrique et octaédrique

21 O OH - OH - Al (Si ) 2- (OH - ) 4

22 O OH - OH - Al (Si ) 2- (OH - ) 4 Seulement 2 cavités sur 3 sont occupées par des Al 3+ Argile dioctaédrique

23 O OH - OH - Al (Si ) 2- (OH - ) 4 (Al 3+ ) 2 (Si )(OH) 4 Al 2 = Kaolinite

24 La kaolinite est l argile la plus simple. Te Oc Phyllite à deux couches Si les feuillets étaient prolongés à l infini alors ils seraient électriquement neutres. Fractures des feuillets = charge < 0. C est l argile la plus riche en Al, la + pauvre en Si rapport SiO 2 /Al 2 O 3 = 2 Poly page 5 (Si )(OH) 4 Al 2 = (Si )(OH) 8 Al 4 = Kaolinite Argile 1/1 Argile dioctaédrique

25 Te Oc Phyllites à trois couches Gpe des Micas - Illites - Vermiculites Gpe des Smectites - Montmorillonites Te Argiles 2/1 ou T-O-T (Si ) Al 2 (OH) 2 Pyrophyllite Phyllites à quatre couches Gpe des Chlorites Poly page 5 Argiles 2/2 ou T-O-T-O

26 Rayon ioniques des principaux atomes constituants les minéraux (Pauling, 1949) Si Al Fe Mg Fe Na Ca K O 0,39 0,5 Ǻ 0,64 0,65 0,75 0,9 0,99 1,33 1,40 Poly page 4 Extrait de Wild, 1993

27 Substitution isomorphique Les couches tétraédriques = «couches de silice» (Al 3+ ) au lieu de (Si 4+ ) Déficit de charge du feuillet Les couches octaédriques = «couches de gibbsite» Al(OH) 3 2/3 des cavités sont occupées = argiles dioctaédriques Mg dans la couche octaédrique = «couche brucite» Mg(OH) 2 Toules les cavités sont occupées = argiles trioctaédriques Substitution par des cations de valence inf Déficit de charge du feuillet

28 La classification des argiles est basée sur ces substitutions isomorphiques A Modèle Te-Oc (1/1) Pas ou très peu de substitution : dioctaédrique - Epaisseur cste des feuillets (7Ǻ) Kaolinite (Si ) 2-7 Ᾰ (Al 2 (OH) 4 ) 2+ Structure de la Kaolinite (d après White, 1997) avec liaisons hydrogène entre les feuillets

29 La liaison entre deux feuillets adjacents est assurée par des liaisons hydrogènes. Ces liaisons s'établissent entre les hydroxyles de la couche octaédrique et les oxygènes de la couche tétraédrique. Elles entraînent un rapprochement des feuillets adjacents, empêchant toute pénétration de molécules d'eau, de molécules organiques ou d'ions minéraux. Il n'existe donc aucune possibilité de gonflement ou de rétraction des feuillets. La faible capacité d'échange des kaolinites est due uniquement aux sites de surface à chaque zone de fracture du feuillet se terminant par O 2 - El Hachim 2013 ( Poly page 5 Poppe et al., 2001 (

30 A Modèle Te-Oc (1/1) Pas ou très peu de substitution : dioctaédrique - Epaisseur cste des feuillets (7Ǻ) Kaolinite - Epaisseur variable (intercalation H 2 O : 10Ǻ) Halloysite B Modèle Te-Oc-Te (2/1) - Dioctaédrique (Al domine ds les octaèdres) Muscovite Epaisseur cste feuillets (10Ǻ) Illite (fort pouvoir fix K) [(Si 4-x Al x 0 10 ) (Al 2-y Mg y )OH 2 ] x+y [K + ] x+y - Trioctaédrique (Mg domine ds les octaèdres) Biotite Poly page 5 Epaisseur variable feuillets (15Ǻ) Vermiculite [(Si 4-x Al x 0 10 ) (Mg 3-y Al y )OH 2 ] -(x-y) [Mg,Al,Fe 2+ ] (x-y)/2

31 A Modèle Te-Oc (1/1) Pas ou très peu de substitution : dioctaédrique - Epaisseur cste des feuillets (7Ǻ) Kaolinite - Epaisseur variable (intercalation H 2 O : 10Ǻ) Halloysite B Modèle Te-Oc-Te (2/1) - Dioctaédrique Illite (fort pouvoir fix K) [(Si 4-x Al x 0 10 ) Al 2 (OH) 2 ] -(x+y) [K + ] (x+y) - Trio. Vermiculite [(Si 4-x Al x 0 10 ) (Mg 3-y Al y )OH 2 ] -(x-y) [Mg] (x-y)/2 Substitutions octaédriques : (gpe des Smectites feuillets >20 Ǻ) Du grec «Smectos» «je nettoie» - Dioctaédrique [(Si 4-x Al x 0 10 ) (Al 2-y Fe,Mg y )OH 2 ] -(x+y) [M + ] (x+y) Montmorillonite C Modèle Te-Oc-Te -Oc (2/2) Gpe des Chlorites 14Ǻ Poly page 5

32 1/1 2/1 2/2 Illite kaolinite illite vermiculite smectite Poly page 5

33 Le degré d altération va dépendre de la combinaison de plusieurs facteurs qui vont déterminer la nature des minéraux secondaires formés - le climat (température, humidité, alternance saisonnière) qui contrôle le degré d hydrolyse; - le relief qui détermine le degré de drainage ou de confinement; - la nature de la roche-mère qui conditionne la séquence des minéraux formés. hydrolyse Allitisation = hydrolyse totale 1/1 monosiallitisation 2/1 bisiallitisation Poly page 5 smectite

34 Ces cations échangeables sont le garde manger des végétaux en terme de nutrition en Ca ++, Mg ++, K +, NH 4+, Fe ++, Zn ++, Cu ++, Mn ++ À l origine du Complexe argilohumique ou organominéral > agrégats C est le nombre de sites qui compte ou CEC Berthelin, 2011 in Sol et Environnement Poly page 6

35 Capacité d échange cationique = nombre de charges négatives à la surface des argiles compensées par des cations pouvant être échangés avec des cations très abondants dans la solution du sol Exprimé en «Equivalent» avant la mise en place du SUI Un équivalent = la masse d un élément portant une charge équivalente à celle d un H + 1 Eq de X = masse atomique de X en g/ valence de X Exemple : 1Eq K = 39/1g alors qu un Eq de Ca = 40g/2 On l exprime en nombre de charges ou plutôt en multiple de 6, charges, cad en «mole de charges» par analogie à la «mole gramme» = 6, atomes (nombre d'avogadro)

36 Capacité d échange cationique = nombre de charges négatives à la surface des argiles compensées par des cations pouvant être échangés avec des cations très abondants dans la solution du sol On l exprime en nombre de charges ou plutôt en multiple de 6, charges, cad en «mole de charges» par analogie à la «mole» = 6, atomes (nombre d'avogadro) 1 mole charge = 1 mol c = 1 mol (+) Poly page 6

37 1 mole charge = 1 mol c = 1 mol (+) «1 Ca ++ pèse 40 g» = 1 mole (d atomes) de Ca ++ pèse 40 g 1 mole Ca ++ pèse 40 g et porte deux moles de charge 40 g Ca ++ = 2 mol c = 2 Eq 20 g Ca ++ = 1 mol c = 1 Eq 20 mg Ca ++ = 1 mmol c = 1 meq 1 équivalent = 1 mole charge = 1 mol c = 1 mol (+) Poly page 6

38 1 meq/100g = 1 mmole c /100g = 1 cmol c /kg 1 meq/100g = 1 cmol c /kg Type argile CEC cmolc/kg Kaolinite 3-20 Illites Smectites Vermiculite (Selon White, 2003) Nombre de cations adsorbés (mmole c /100g ou meq/100g ou cmolc/kg) : c est toujours la même valeur Poly page 6 L unité du SI aujourd hui est la cmol c /kg

39 PG 3 Pédologie Générale et potentialité des sols Introduction : savoir resituer les enjeux qui pèsent sur les sols A Les constituants minéraux Selon la taille ou leur nature minéralogique les carbonates et les silicates Les oxydes et hydroxydes métalliques = résultats de la pédogénèse Les constituants organiques cf cours de M. Dumat et Maialen Barret Les organismes vivants cours de Maialen Barret et Benjamin Pey

40 B Formations des sols traits pédologiques Objectifs du cours : - Connaître les grands facteurs de pédogenèse et les processus - Savoir identifier quelques horizons diagnostics 1 Les facteurs de pédogenèse 1.1Le temps 1.2 Facteurs bioclimatiques 1.3 Facteur de station 1.4 Facteur humain 2 Les processus qui conduisent à former des horizons 2.1 Altération physique 2.2 Dissolution et lixiviation = décarbonatation 2.3 Transformation des minéraux = production de minéraux argileux 2.4 Accumulation de MO 2.5 Les autres processus de transfert : lessivage et chéluviation 3 Identification synthétique des grands types d horizons 3.1 Définition principales caractéristiques 3.2 Les critères aidant à les identifier : teste de la texture, structure, couleur 4 Conclusion : l exemple régional Poly page 6

41 1 Les facteurs de la pédogenèse 1.1 le temps Le paradigme de Dokoutchaev formalisé par Hans Jenny ( ) Soil factor equation ou soil landscape paradigm Sol = f (climat, roche, vivant, relief, temps) Poly page 6

42 Le temps : premier facteur de pédogenèse STADE 1 : RM mise à nue CO 2 + H 2 O H 2 CO 3 Dissolution dans les flaques Progressivement, ces flaques recouvrent toute la surface Les micas (noirs), les feldspaths et le quartz vont capter les rayonnements mais n ont pas les mêmes propriétés mécaniques Le vent dépose des poussières, des débris de végétaux, des spores ou des larves d insectes : il y a colonisation sur la roche en voie d altération Poly page 6

43 STADE 2 : amorce de la pédogenèse Colonisation de la surface totale par les bactéries, lichens, insectes Installation des végétaux supérieurs Actions physique très puissante des racines Actions chimiques des racines et des débris végétaux Plus grand stockage de l eau Poly page 6

44 Photo I. Baillie Photo E. Micheli Poly page 6 Rendzine = Rendosol = Leptosol

45 STADE 3 : Installation de la pédogenèse Phase vivante Phase résiduelle Roche mère Phase aqueuse Poly page 6

46 STADE 4 : Sol évolué Peu à peu, les 4 phases vont fortement transformer le matériel de départ qui est de moins en moins identifiable A B C Transfert de matière Recombinaison des produits de solubilisation Altération de la matière minérale Poly page 6 Forte différentiation en horizons