Plan du cours. I. Présentation générale. II. Les processus d érosion. III. Les processus d altération. IV. Le sol

Transcription

1 Erosion & (Erodere : ronger) Altération (Alter : autre)

2 Plan du cours I. Présentation générale II. Les processus d érosion III. Les processus d altération IV. Le sol V. Place de l altération dans les cycles géochimiques

3 Présentation générale Les matériaux de surface sont manifestement transformés Mais quels sont les facteurs mis en jeu? Piton de la Fournaise aout 2004, quelques semaines après l éruption Saint-Thibéry années 2000, quelques milliers d années après l éruption Quel est le facteur ici? Le TEMPS

4 Le TEMPS et/ou la TECTONIQUE Les monts d arrée formés il y a 330 Ma Les Alpes en formation depuis 28Ma Quel est le facteur ici?

5 Le CLIMAT, la POSITION GEOGRAPHIQ Les matériaux de surface sont manifestement transformés Rochechouart 200 Ma Manicouagan (canada) 200 Ma Quel est le facteur ici?

6 La VEGETATION donc l EAU La terre La Lune Quel est le facteur ici?

7 Les facteurs de la transformation des roches sont donc nombreux, complexes et souvent interconnectés Il s agit de : Le temps Le climat La tectonique La végétation La présence d eau Mais ces facteurs sont du deuxième degré Quelles sont les interconnections possibles permettant de déterminer les deux facteurs majeurs au premier degré?

8 Ces facteurs sont : LE TEMPS Et L EAU

9 Comment agissent ces facteurs La roche mère est modifié en surface

10 Lorsque l on analyse les eaux de pluie, des rivières et de la mer, on observe qu elles ne sont pas pures physiquement : chargée en MES et chimiquement : il n y a pas que H et O

11 Pluies : Physiquement Figure Images en MET de sels des retombées atmosphériques à Breuil. Longueur des barres d échelle : 1µm. Figure Images en MET de particules argileuses. a), b), c), d) : argiles automorphes de types illite et kaolinite ; e) : agrégat naturel d argiles automorphes de types illite et kaolinite f) : phyllosilicate de type biotite. Toutes les barres d échelle sont longues de 1µm.

12 Pluies : Chimiquement 4 rain water (TDS = 7.1 mg.l-1) co n cen tratio n (mg.l-1) Na+ K+ Mg2+ Ca2+ Cl- HCO3- SO42- SiO2 D où viennent les concentration élevées en Na, Cl?

13 Rivières : Physiquement Turbidité et analyses en DRX montrent la présence d éléments solides dans les rivières : la matière en suspension. D où vient-elle?

14 Rivières : Chimiquement co n cen tra tio n (m g.l-1) river water (TDS = mg.l-1) 0 Na+ K+ Mg2+ Ca2+ Cl- HCO3- SO42- SiO2 D où viennent les concentration élevées en Ca, HCO3, Si?

15 Mers : Physiquement

16 Mers : Chimiquement seawater (TDS = mg.l-1) concentration (mg.l-1) Na+ K+ Mg2+ Ca2+ Cl- HCO3- SO42- SiO2 D où viennent les concentration élevées en Na, Cl?

17 Mers et pluies sont enrichies en Na et Cl La charge en éléments augmente de la pluie vers la mer lien avec le cycle de l eau Mais pluie et eaux de rivière n ont pas la même composition. Les eaux de rivières ne sont pas des eaux de pluies concentrés car les éléments sont différents Pluies : Na et Cl Rivières : Ca et HCO3 L eau des rivières interagie avec le lit de la rivière, il y a réaction chimique entre l eau et la roche. Ce sont les processus d érosion et d altération

18 Pourquoi l eau de mer est-elle salée?

19 Cadre des processus d érosion et altération On distingue deux types de processus modifiant les roches au contact de l air et de l eau. L EROSION Phénomène physique L ALTERATION Phénomène chimique

20 Les processus d érosion et altération tiennent place dans le cadre de la pédogenèse (Pedon (gr.) : sol + genesis : création) Définition : Processus amenant à la formation des sols à partir d une roche-mère. Pourquoi? Parce qu en surface une roche n est pas stable.

21 Ces processus prennent place dans le système pédogénétique Une roche arrivant en surface se dégrade : exemple du granite Granite sain : blocs anguleux Formation de diaclases Formation de "boules" Chaos granitique + Arène granitique

22 Quels sont les mécanismes de l érosion et les mécanismes de l altération dans la formation d un sol granitique? Comment passe-t-on de à ça ça

23 φ χ Granite sain : blocs anguleux Formation de diaclases Formation de "boules" φ φ&χ Chaos granitique + Arène granitique

24 L EROSION Définition : L érosion est la désintégration des roches et des minéraux par un processus physique ou mécanique. Source : Stephen A. Nelson (Tulane University) Processus physiques ou mécaniques avec désagrégation des roches et enlèvement des débris par un fluide. Source : Foucault & Raoult (dico de géol) Idée de sédimentation.

25 Les mécanismes de l érosion L action de la température : thermoclastie L action du froid : gélifraction ou cryoclastie La depréssurisation : exfoliation L action des courants : abrasion L action de la salinité : précipitation L action des organismes : érosion biologique

26 Thermoclastie Les variations de température sont la cause de dilatation et contraction différentielle des minéraux. Il en résulte une désagrégation granulaire : la thermoclastie. Dans le désert, l amplitude des variations de température journalière peut atteindre 50 C. Il y détachement d une croute : desquamation ou exfoliation.

27 L action du froid cryoclastie c est un cas particulier de la thermoclastie L eau quand elle gèle augmente son volume de 9% A volume constant la pression de la glace atteint 14 kg/m²

28 À l échelle de l échantillon À l échelle de l affleurement

29 La dépressurisation - exfoliation Le retrait des roches sus-jacentes cause l extension des roches sous jacentes. Celles-ci se fracturent du fait de la baisse de pression. Les fractures (sheet joints) se développent parallèlement à la surface de la roche qui à tendance à peler (décollement des feuilles), produisant localement des dômes d exfoliation. Photo : Andrew Alden Enchanted Rock State National Area, Texas, USA. Photograph: Ro Enchanted Rock State National Area, Texas, USA. Photo : Greg Hewgill. Photo : Bradley, William C. Yosemite National Park, Iowa Univ.

30 L action des courants (flux) - abrasion Les particules transportées par l eau, la glace, et l air peuvent être efficace pour user les roches. Abrasion : Erosion causée par le frottement des matériaux transportés par les eaux ou les glaces. Source : Foucault & Raoult (dico de géol) Par courants ou flux je comprends : Les flux d eau liquide (ruisseaux, rivières, vagues ) Les flux d eau solide (glace) Les flux d air (vents)

31 L abrasion par les flux d eau Plus l énergie du cours d eau et forte plus son potentiel abrasif est fort

32 L abrasion par les flux d eau Source : thèse M. ATTAL (Grenoble) Source : Smith et al, 2002 Source : Carter & Anderson, 2006

33 L abrasion par les glaciers Surface rugueuse Production de fragments de roche Mouvement de la glace Glace polissant le socle Socle

34 L abrasion éolienne Source : Smith et al, 2002

35 L haloclastie Du gr. Halos : sel et klastos : brisé. Fragmentation d une roche sous l effet de la pression de cristallisation de sels dans ses fissures ou ses cavités.

36 L érosion biologique Ce n est pas toujours que physique notamment pour les bactéries

37 Tous ces processus sont dominé par des forces physiques. Cependant ils sont toujours (ou presque) accompagnés de phénomèmes chimiques.

38 Les principales réactions de l altération L acteur majeur de l altération est l eau car elle transporte les réactifs (acidité). L eau, sur terre, est présente dans tous les compartiments de surface: pluies, rivières, sols. Selon la chimie de cette solution et la lithologie de la RM les réactions sont diverses.

39 Les processus d altération L hydrolyse (silicates) L oxydation et la réduction (minéraux avec cations métalliques) L hydratation & la déhydratation (diverses) La dissolution (carbonates, sels)

40 L acide principal dans les eaux de pluie est l acide carbonique H 2 CO 3. Il résulte de la réaction entre l eau H2O et le CO2 gazeux de l atmosphère suivant : H 2 O + CO 2 H 2 CO 3 H + + HCO 3 - eau Dioxyde de carbone Acide carbonique Ion hydrogène Ion bicarbonate H+ est un petit ion qui peut facilement entrer dans la structure des minéraux, libérant les autres ions dans l eau.

41 L hydrolyse H+ or OH- remplace un ion dans le minéral Le système cristallin est modifié voire détruit. Dans le cas d olivine ou pyroxène il est détruit Dans le cas des feldspath il est modifié

42 L Hydrolyse exemple du feldspath H+ or OH- remplace un ion dans le minéral bisiallitisation (formation d une argile 2:1, Si/Al =2) 3KAlSi 3 O 8 + 2H H 2 O Si 3 AlO 10 Al 2 (OH) 2 K + 6Si(OH)4 + 2K + Orthose Ion hydrogène eau Illite Acide silicique Potassium IL Y A EN PLUS LESSIVAGE D IONS POTASSSIUM DANS LA SOLUTION

43 L Hydrolyse exemple du feldspath H+ or OH- remplace un ion dans le minéral monosiallitisation (formation d une argile 1:1, Si/Al =1) 2KAlSi 3 O 8 + 2H + + 9H 2 O 2K + + Al 2 Si 2 O 5 (OH) 4 + 4Si(OH)4 2 Orthose Ion hydrogène eau Ion potassium Kaolinite Acide silicique IL Y A EN PLUS LESSIVAGE DE TOUT LE POTASSSIUM DANS LA SOLUTION

44 L Hydrolyse exemple du feldspath H+ or OH- remplace un ion dans le minéral Allitisation (disparition totale du silicium) 2KAlSi 3 O 8 + 8H + + 8H 2 O Al (OH) 3 + 3Si(OH)4 + 2K + + 9(OH) - Orthose Ion hydrogène eau Gibbsite Acide silicique Potassium IL Y A EN PLUS LESSIVAGE DE TOUT LE POTASSSIUM DANS LA SOLUTION

45 Ces trois réactions ont un bilan géochimique différent : Al Si Cation Bisiallitisation : maintenu - de 50% lessivé Monosiallitisation : maintenu 66% lessivé de100% lessivé 100% lessivé Allitisation : maintenu 100% lessivé 100% lessivé

46 Oxydation exemple du pyroxène O2 peut réagir avec les minéraux et modifier leur état d oxydation : 3Fe 2+ SiO 3 + ½O 2 Fe 3 O 4 + 3SiO 2 Pyroxène Oxygène Magnétite Quartz

47 Déshydratation exemple de la goethite Il y a suppression d un ion H 2 O ou OH - d un minéral : 2FeO.OH Fe2O3 + H2O Goethite Hématite Eau

48 Dissolution exemple de la calcite Dépend des réactions acide/base il y a mise en solution complète CaCO 3 + H 2 O + CO 2 Ca HCO 3 - Calcite eau Dioxyde de Carbone Calcium Bicarbonate

49 L acidolyse En dessous de ph = 5, l aluminium devient soluble. Pour atteindre un tel ph, il y a intervention de la MO KAlSi 3 O 8 Si(OH) 4 + K + + Al 3+

50 Résumé/complément L érosion est un processus physique qui agit sur les roches en les fracturant et donc en les divisant. Ses modes d action sont diverses : - Via l eau - Via l air - Via la vie

51 L altération est un processus chimique qui peut se traduire par : Minéral primaire + eau/air = Minéral secondaire (+ oxydes) + solution.

52 Les minéraux secondaires sont principalement des phyllosilicates et essentiellement des argiles.

53 En détails Albite (tectosilicate) NaAlSi3O8 Smectite (phyllosilicate 2:1) Na x [Si 8 ]Al 3.2 Fe 0.2 Mg 0.6 O 20 (OH) 4

54 Kaolinite (phyllosilisate 1:1) Al2Si2O5(OH)4 Gibbsite (hydroxyde) Al(OH)3

55

56

57

58

59

60

61

62

63

64 Biotite vermiculite

65

66 2Si 3 AlO 10 Al 2 (OH) 2 K? 3Al 2 Si 2 O 5 (OH) 4? Al (OH)3

67

68 L altération géochimique vue précédemment est indépendante de la MO. Elle s attaque aux minx primaires et créée des argiles néoformées. Cependant la MO intervient souvent dans l altération. C est le principe d humification

69 La balance Géochimique de l altération Minx primaires Minx primaires + minx secondaires + oxy-hydroxydes + solution. Il y a perte de masse lors de l altération Conservation des minx primaires résistant

70 Zr Par exemple Altération (dissolution & lessivage) La moitié de la masse est perdue mais par le zirconium Matériel parent = Élément altérables + Éléments non altérables (par ex. le zircon) [Zr] = 100 ppm Sol formé [Zr] = 200 ppm enrichissement

71 Quelques équations pour comprendre Roche-mère Densité : ρ r Zirconium présent = [Zr] r h r h s Sol Densité : ρ s Zirconium présent = [Zr] s Masse de RM = masse de sol + masse perdue par lessivage (δ) ρ r h r = ρ s h s + δ Masse de Zr dans RM = Masse de Zr dans sol [Zr] r ρ r h r = [Zr] s ρ s h s

72 En combinant les deux équations quelle est la masse perdue δ en fonction de ce que l on peut mesurer soit la masse de sol? δ = (([Zr] s / [Zr] r ) 1) ρ s h s ON PEUT DONC CONNAÎTRE LA MASSE DE RM PERDUE PAR L ALTERATION EN ANALYSANT LES CONCENTRATION EN INSOLUBLES

73 Pour un élément soluble Roche-mère Densité : ρ r Zirconium présent = [Zr] r Élément j présent = C jr h r h s Sol Densité : ρ s Zirconium présent = [Zr] s Élément j présent = C js Masse de j dans RM = masse de j dans sol + masse perdue par lessivage (δ j ) C jr ρ r h r = C js ρ s h s + δ j Masse de Zr dans RM = Masse de Zr dans sol [Zr] r ρ r h r = [Zr] s ρ s h s

74 En combinant les deux équations quelle est la masse perdue δ j en fonction de ce que l on peut mesurer? δj = (C jr ([Zr] s / [Zr] r ) C js ) ρ s h s ON PEUT DONC CONNAÎTRE LA MASSE d ELEMENT PERDU PAR L ALTERATION EN ANALYSANT LES CONCENTRATION EN INSOLUBLES

75 Le taux d altération est contrôlé par : La surface (de la particule qui s altère) La lithologie de la roche-mère Le climat La présence de végétation La topographie Sur lequel ou lesquels de ces paramètres agit l érosion? Essentiellement la surface en augmentant la surface réactive des matériaux sujet à l altération.

76 Lithologie de la roche-mère Rôle de la lithologie sur les taux d'altération chimique Les différentes roches ne réagissent avec la même «efficacité» aux processus d altération chimique POURQUOI?

77 Série de Bowen, ordre de cristallisation des minéraux.

78 Olivine Nésosilicate Pyroxène inosilicate Feldspath tectosilicate

79

80 Roches ACIDES Roches ignées Equiv. Métam Schaetzl & Anderson

81 Roches BASIQUES Roches ignées Equiv. Métam Schaetzl & Anderson

82

83

84

85 Le climat ou paramètres thermodynamiques du milieu Température et pluviomètrie sont des acteurs majeurs de l altération. La température comme catalyseur des réactions L eau comme réactif De ce fait, toutes les réactions vues précédemment n ont pas toujours lieu

86 Le climat joue sur l altération

87

88 Le climat joue sur l altération on le voit sur les sols.

89 Compartimentation pédologique du globe terrestre

90

91 25% des régions du globe n ont pas de sol : déserts et montagnes.

92 Séquence latitudinale d origine bioclimatique (d après G. Pédro) Température moyenne (podzolisation) bisiallitisation monosiallitisation allitisation Pluviométrie annuelle (mm) Ceinture polaire Zone boréale Zone tempérée Ceinture désertique Zone tropicale Taïga Feuillus Steppe savane Forêt tropicale Pôle nord équateur substratum Roche en voie de décomposition Argiles 2:1 Kaolinite Gibbsite - kaol Épaisseur de la couche d altération

93 Caractères géochimiques des principaux types d altération en fonction du climat Climat froid tempéré chaud Evolution géochimique CHELUVIATION Al2O3 SOLUVIATION = HYDROLYSE SiO2 SiO2 SiO2 léssivage modéré léssivage faible léssivage modéré léssivage intense Résultat Silice libre Phyllo 2/1 Phyllo 1/1 Hydrox d'al (illites, smectites) (kaolinite) (gibbsite, boehmite) Processus Podzolisation bisiallitisation monosiallitisation allitisation

94 Les conditions physico-chimiques du milieu. Acidification des eaux Le ph Le CO2 atmosphérique Le couvert végétal

95 ph Eau pluviale (et sols) = légèrement acides. dissolution et hydrolyse jouent un rôle dominant. Par contre, le ph de l'eau de mer = 8 Peu de réactions d'hydrolyse Environnements en contact avec l'atmosphère sont oxydants. Conditions réductrices seulement dans des milieux isolés de l'atmosphère (bassins stratifiés, nappes profondes,...) ou des milieux dont tout l'oxygène est consommé (par exemple suite à l'oxydation de la matière organique).

96 CO2 atmos H 2 O + CO 2 H 2 CO 3 H + + HCO 3 - eau Dioxyde de carbone Acide carbonique Ion hydrogène Ion bicarbonate

97 Acides humiques La MO en se décomposant donne des composés organiques ± acides. ils modifient le ph. ils ont un pouvoir complexant.

98 L humus Il s'agit, essentiellement ( 95% ou plus ), de substances végétales retombant sur le sol à partir des plantes ( ou y apportées par l'homme ), et, accessoirement, d'excréments et de cadavres d'animaux. Leur acidité joue sur les paramètres d altération des roches Leur présence dépend beaucoup du climat. Climat froid : décomposition de MO lente Climat chaud : décomp plus rapide

99 Le temps - Hawaii Climat = stable T : 16 C Pluies = 2500mm RM = Basalte partout

100 Sol très peu réactif, altération et lessivage maximaux, principalement Feox et Alox. Sol tropical typique. Argiles peu réactives (kaol, illite) Sols très altérés, MO et argiles très réactive Hawaii 2 Faible altération, texture grossière

101 Hawaii 3 + jeune AGE + vieux Plus l âge est grand moins il y a de cations. Et moins l altération est éfficace

102 Pédologie Géologie Pluies Topographie Températures ph des sols Salinité des sols Teneur en eau des sols

103 L EROSION et l ALTERATION Sont les moteurs de LA PEDOGENESE Pédogenèse : [du gr. Pedon (sol) et de genèse (création)] Processus amenant à la formation des sols à partir d une roche-mère.