A/ Les constituants minéraux Deux approches pour étudier les constituants minéraux des sols = 1 Taille des particules élémentaires Texture du sol 2 Nature minéralogique des particules élémentaires Les carbonates Les silicates (= 92 % masse écorse terrestre)
Structure en tétraèdre des silicates (d après White, 1997) (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 0,39 0,5 Ǻ 0,64 0,65 0,75 0,97 0,99 1,33 1,40
Structure 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
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
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
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.
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
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 Extrait de Wild, 1993
Composition des principales roches éruptives (Duchaufour, 1995)
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
(Si 2 0 5 ) 2- Structure des phyllosilicates
(Si 2 0 5 ) 2- OH - OH -
O OH - (Si 2 0 5 ) 2- OH -
O OH - OH - (Si 2 0 5 ) 2- OH - (OH - ) 3 (Si 2 0 5 ) 2- (OH - ) 4
O OH - OH - Al (Si 2 0 5 ) 2- (OH - ) 4
Lacune tétraédrique et octaédrique
O OH - OH - Al (Si 2 0 5 ) 2- (OH - ) 4
O OH - OH - Al (Si 2 0 5 ) 2- (OH - ) 4 Seulement 2 cavités sur 3 sont occupées par des Al 3+ Argile dioctaédrique
O OH - OH - Al (Si 2 0 5 ) 2- (OH - ) 4 (Al 3+ ) 2 (Si 2 0 5 )(OH) 4 Al 2 = Kaolinite
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 (Si 2 0 5 )(OH) 4 Al 2 = (Si 4 0 10 )(OH) 8 Al 4 = Kaolinite Argile 1/1 Argile dioctaédrique
Te Oc Phyllites à trois couches Gpe des Micas - Illites - Vermiculites Gpe des Smectites - Montmorillonites Te Argiles 2/1 ou T-O-T (Si 4 0 10 ) Al 2 (OH) 2 Pyrophyllite Phyllites à quatre couches Gpe des Chlorites Argiles 2/2 ou T-O-T-O
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 Extrait de Wild, 1993
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
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 0 5 ) 2-7 Ᾰ (Al 2 (OH) 4 ) 2+ Structure de la Kaolinite (d après White, 1997) avec liaisons hydrogène entre les feuillets
La classification des Phyllosilicates est basée sur l organisation des feuillets et les substitutions isomorphiques A Modèle Te-Oc (1/1) Pas ou très peu de substitution : dioctaédrique - Epaisseur cste des feuillets (7Ǻ) Kaolinite B Modèle Te-Oc-Te (2/1) Substitutions tétraédriques : argiles micacées (fort pouvoir fix K) - Dioctaédrique (Al domine ds les octaèdres) Muscovite - Trioctaédrique (Mg domine ds les octaèdres) Biotite [(Al Si 3 0 10 ) (Mg 3,Fe 3 )OH 2 ] -1 [K] +1 Biotite
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) Substitutions tétraédriques : argiles micacées (fort pouvoir fix K) - Dioctaédrique (Al domine ds les octaèdres) Muscovite Epaisseur cste feuillets (10Ǻ) Illite [(Si 4-x Al x 0 10 ) (Al 2 )OH 2 ] -x [K + ] x - Trioctaédrique (Mg domine ds les octaèdres) Biotite 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)
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 - Trio. Illite 10Ǻ [(Si 4-x Al x 0 10 ) Al 2 (OH) 2 ] -(x+y) [K + ] (x+y) Vermiculite 15 Ǻ [(Si 4-x Al x 0 10 ) (Mg 3-y Al y )OH 2 ] -(x-y) [Mg,Al,Fe 2+ ] (x-y) Substitutions octaédriques : (gpe des Smectites feuillets >20 Ǻ) Du grec «Smectos» «je nettoie» - Dioctaédrique [(Si 4 0 10 ) (Al 2-y Fe,Mg y )OH 2 ] -(x+y) [M + ] (x+y) Montmorillonite
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 - Trio. Illite 10Ǻ [(Si 4-x Al x 0 10 ) Al 2 (OH) 2 ] -(x+y) [K + ] (x+y) Vermiculite 15 Ǻ [(Si 4-x Al x 0 10 ) (Mg 3-y Al,Fe y )OH 2 ] -(x-y) [Mg,Al,Fe 2+ ] (x+y) Substitutions octaédriques : (gpe des Smectites feuillets >20 Ǻ) Du grec «Smectos» «je nettoie» - Dioctaédrique [(Si 4 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
1/1 2/1 2/2 Illite kaolinite illite vermiculite smectite
Ces cations échangeables sont le garde manger des végétaux en terme de nutrition en Ca ++, Mg ++, K +, NH 4+, Fe ++, Zn ++, Cu ++
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 6,022 10 23 charges, cad en «mole de charges» par analogie à la «mole» = 6,022 10 23 atomes (nombre d'avogadro) 1 mole charge = 1 mol c = 1 mol (+)
1 mole charge = 1 mol c = 1 mol (+) «1 Ca ++ pèse 40 g» = 1 mole (d atomes) de Ca ++ pèse 40 g 40 g Ca ++ pèse 40 g et portent deux moles de charge 40 g Ca ++ = 2 mol c 20 g Ca ++ = 1 mol c 20 mg Ca ++ = 1 mmol c = 1 meq 1 équivalent = 1 mole charge = 1 mol c = 1 mol (+)
1 meq/100g = 1 mmole c /100g = 1 cmol c /kg 1 meq/100g = 1 cmol c /kg Nombre de cations adsorbés (mmole c /100g)
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
1 Les facteurs de la pédogenèse 1.1 le temps Le paradigme de Dokoutchaev formalisé par Hans Jenny (1899-1992) Soil factor equation ou soil landscape paradigm Sol = f (climat, roche, vivant, relief, temps)
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
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
Photo I. Baillie Photo E. Micheli Rendzine = Rendosol = Leptosol
STADE 3 : Installation de la pédogenèse Phase vivante Phase résiduelle Roche mère Phase aqueuse
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 Forte différentiation en horizons
Le temps : premier facteur de pédogenèse
Cycles courts : quelques milliers d années Cycles lents : Centaines de milliers d années
Cycles courts : quelques milliers d années Cycles lents : Centaines de milliers d années Climat tempéré ou froid : la dernière glaciation a arrêté la pédogénèse : Sols a cycles courts Climat tropicaux: pas d interruption de la pédogénèse : Sols a cycles longs
Gobat et al., 1998
1 Les facteurs de la pédogenèse 1.2 Facteurs bio-climatiques : climat et végétation Température Accélération des réactions biologiques et d altération Précipitation - Volume des précipitations cumulées : Altération, transfert d éléments, néoformation - Régimes des précipitation: alternance périodes sèches/humides Biosphère : végétation/μorganismes Productivité : apports de litière
Gradient de température croissante Température Accélération des réactions biologiques et d altération Précipitation - Volume des précipitations cumulées : Altération, transfert d éléments, néoformation - Régimes des précipitation: alternance périodes sèches/humides Biosphère : végétation/μorganismes Productivité : apports de litière Déserts Sols salés Gradient d humidité croissante Arctique Boréal Tempéré Subtropical Tropical Sols bruns Accumulation en Ca Sols fersialitiques Pertes Ca Sols ferrallitiques Pertes en Al, Fe, Ca Pertes en SiO2
A l intérieur des grandes zones bio-climatiques, il existe une grande diversité de types de sols
1.3 Les facteurs de la pédogenèse dits de «station» liés au matériau d origine et au relief Roche mère Matériau parental = définition plus large, incluant les matériaux issus de l érosion, le recouvrement par les limons éoliens, les plaines alluviales La composition minérale du matériau originel joue surtout dans les premières phases de développement Sables quartzeux : podzolisation Calcaires : carbonatation la position dans le paysage joue aussi : c est la notion de topo séquence
Les toposéquences Colluvionnement = transport de matériaux le long des pentes sur de courtes distances Par opposition à l alluvionne ment = transport et dépôt par l eau des rivières sur de longues distances
Les sols organisés en chronoséquence