pédologie 8

6. COMPLEXE D'ALTERATION/LES OXYHYDROXYDES

Les oxyhydroxydes ( de fer,d'aluminium,de manganèse,de silice notamment ) constituent avec les argiles, une fraction importante du complexe d'altération.

Ces éléments sont libérés au cours de l'altération sous forme soluble ou complexée ( si la matière organique intervient ).Mais alors que les cations basiques ( Ca, Mg,Na,...) conservent lors de leur libération la forme soluble, les cations lourds ( Fe, Al, ...) et la silice évoluent plus ou moins vite vers des formes insolubles, amorphes ou cristallines, ce qui limite les pertes par drainage ; ils s'associent aux autres éléments du complexe, notamment les argiles.

6.1. Les oxyhydroxydes de fer.

 Ils résultent essentiellement de l'altération des minéraux ferro-magnésien ( biotite, amphibole, pyroxène) : les formes ioniques solubles ou complexées sont largement minoritaires sauf dans les sols très acides ou mal aérés ( sols podzoliques, sols hydromorphes ). Dans les sols bien aérés ou biologiquement actifs ( sols bruns à mull), le fer prend rapidement la forme d'oxyhydroxydes insolubles, amorphes ou cristallins. Le passage des formes amorphes aux formes cristallisées  est sous la dépendance étroite de la quantité de matières organiques présentes dans le milieu, celle-ci jouant le rôle de frein à l'égard du processus de cristallisation. A l'inverse des ions Al3+ , les oxydes ferriques restent libres et s'intègrent peu aux feuillets des argiles  ( des exceptions cependant : les montmorillonites ferrifères des vertisols et certaines chlorites.)

Les formes ioniques, solubles ou complexées sont donc minoritaires, sauf dans les sols mal aérés ou  très acides ou les deux à la fois. Dans la majorité des sols, notamment ceux qui sont bien aérés, structurés et à activité biologique élevée, le fer prend rapidement la forme d'hydroxydes ferriques insolubles, amorphes ou cristallins

a) Forme ionique, complexée, amorphe.

 

 

Exemple de distribution des formes de fer dans un sol (sans les formes ioniques très minoritaires)

 

 

 La forme ionique échangeable (Fe3+) n'existe qu'exceptionnellement en milieu aéré ( milieux podzoliques très acides ); elle évolue très vite vers les ions hydroxylés complexes  - Fe(OH)2+   non échangeables - , voire les hydrates ferriques - Fe(OH)3- amorphes.

Par contre, en milieu réducteur, le fer ferreux Fe2+(échangeable)soluble ou échangeable est présent en quantité d'autant plus importante que le potentiel d'oxydo-réduction est bas et le pH plus acide.

Lorsque le Eh est très bas et le pH voisin de la neutralité, le fer ferreux s'accumule sous forme insoluble, FeCO3 , ou celle d'un sel mixte ferreux-ferrique de couleur verdâtre ou bleuâtre, le gley.

                                           Domaine d'existence des différentes formes du fer en solution aqueuse ( solution idéale du sol). 

Dans les milieux aérés, l'évolution des ions ferriques vers les formes insolubles passe par des étapes suivant le milieu et le type d'humus. En présence de mull, l'insolubilisation est immédiate, Fe(OH)3  s'associe aux argiles sous la forme amorphe et cryptocristalline, et joue alors fréquemment le rôle de cation de liaison au sein des agrégats argile-fer-humus ( brunification : Preston 1994 ). Si l'humus est un moder ou un mor, l'abondance des composés organiques complexants favorise la formation de complexes mobiles, qui migrent en profondeur et s'insolubilisent en B,par polymérisation et biodégradation partielle de l'anion complexant. Le fer s'accumule dans l'horizon B , dit spodique sous la forme Fe(OH)3 amorphe (podzolisation).  

b) Formes cristallines).

Lorsque la matière organique est peu abondante, la cristallisation des oxydes de fer amorphe est franche et rapide : elle est favorisée par l'alternance d'humectation et de dessication et les températures élevées du pédoclimat ; les formes cristallisées, très colorées, donnent aux sol des climats chauds, leur couleurs très vives  ( ocre ou rouge).

Il existe deux formes cristallines principales : la goethite et l'hématite.

- La goethite Fe+3O(OH)

                                                                                                Structure cristalline de la goethite

Ce cristal de couleur ocre se forme en conditions de pédoclimat peu contrastées, dans les milieux encore soumis à l'influence de la matière organique. L'acidité du milieu, les températures encore modérées, sont des facteurs favorables : la goethite résulte d'une cristallisation progressive, intervenant au fur et à mesure que la matière organique se biodégrade.

- L 'hématite  Fe2O3    de couleur rouge : sa formation est favorisée par les climats, à climats chauds, à saisons contrastées (saisons sèches) ; elle résulte d'une cristallisation, intervenant en milieu non ou peu acide, en l'absence de matière organique complexante (Schwertmann et al.,1974).'

REMARQUE : Il existe certaines formes de transition entre l'état amorphe et l'état franchement cristallin, dans certains milieux : la lépidocrocite, résulte de la précipitation d'ions Fe2+ soluble dans la zone de battement des nappes phréatiques (horizon G0 des gleys); la ferrihydrite, de couleur brun rougeâtre, peut être considérée comme le précurseur de l'hématite.

 6.2 Les oxyhydroxydes d'aluminium

L'évolution dans le sol de l'ion Al3+ libéré par altération, présente avec le fer, deux différences essentielles : 1°

1) La forme soluble ionique et échangeable  ( Al3+) est bien mieux représentée que la forme équivalente du fer, cela, même en milieu aéré, à condition qu'il soit acide.

2) La fraction intégrée aux minéraux argileux de néoformation est beaucoup plus importante pour l'aluminium que pour le fer, il s'ensuit que les oxydes insolubles ( alumineAl2O3) sont en général peu abondants , sauf dans certains sols aux horizons particuliers ( andosols, sols ferrallitiques).

a) Formes ioniques, simples et hydroxylées

L'ion   Al3+ ( hydraté 6 H2O ) échangeable existe aux pH inférieurs à 5, il provient souvent de l'acidolyse de minéraux argileux. Au dessus de 5, il est  remplacé par les ions hydroxylés complexes Al(OH)2+, Al(OH)2+ de moins en moins échangeables, et qui sont en grande partie responsables des charges dites "variables" ( avec le pH) du complexe absorbant ) par hydrolyses successives libéreant H+. Ces ions alumineux complexes jouent aussi comme le fer , le rôle de cations de liaison, reliant les argiles et les composés humiques ; ils peuvent également s'intercaler entre les feuillets de certaines argiles ( vermiculites) lors du processus d'aluminisation et de chloritisation ( voir plus loin) .Les ions alumineux et les polymères hydroxylés exercent comme les cations ferriques, la fonction de cations de liaison entre les argiles et matières organiques et favorisent ainsi les processus d'agrégation à la surface des argiles , notamment en milieu modérément acide, même mal aéré où le fer réduit est moins efficace.

Globalement, les ions Al+++ et dans une moindre mesure, les ions hydroxylés peu échangeables sont responsable de l'acidité de la solution du sol ( indirectement: en contact avec l'eau, ils provoquent la libération de protons) principalement dans les horizons minéraux acides (pH inférieur à 5) 

b) Les oxyhydroxydes insolubles

Ils n'existent, en abondance, que dans certains sols ou certains horizons, tantôt à l'état amorphe, tantôt cristallin  

Dans les milieux riches en matières organiques et pauvres en argiles, l'aluminium libéré par altération forme des complexes organo-alumineux mobiles, puis immobiles et s'individualisant sous forme d'hydroxydes amorphes, termes des réactions de polymérisation des ions hydroxylés complexes.  

Le cas le plus démonstratif est celui du complexe d'altération des andosols , caractérisé par un gel alumino-silicique ou  allophanes provenant de l'hydratation des verres volcaniques et de l'altération rapide des minéraux primaires. Ces produits à structure mal définie,ont, vvis à vis de la matière organique , une forte réactivité et forment ainsi des complexes organo-minéraux immobiles et stables ( allophanes). Les complexes alumino-fulviques des horizons spodiques,sont du même type mais d'origine différente, puisqu'ils résultent de la précipitation des complexes mobiles produits de la podzolisation  en A1.Mais alors qu'avec le temps les allophanes dans l'andosol s'enrichissent en composés organiques adsorbés, les composés "like allohanes" des podzols ( en Bs) s'appauvrissent en carbone par biodégradation progressive.  Rappelons enfin que dans les sols bruns , l'aluminium comme le fer , forme des complexes initialement solubles , évoluant très rapidement sous forme de composés immobiles associés aux argiles.

Ainsi, comme pour le fer, il existe dans les sols, une série de produits alumineux amorphes se dégradant avec le temps en hydroxydes puis en oxydes individualisés. 

c. Forme cristalline

La forme cristalline ( gibbsite), prédomine dans les sols ferralitiques ( surtout les ferralites ), évoluant en milieu très drainé et pauvre en matière organique : l'entraînement de la silice prend une importance telle que la totalité de l'alumine présente ne peut être transformée en kaolinite par néoformation ; une partie reste libre et cristalline. Dans certains cas, l'alumine se substitue partiellement au fer dans les cristaux de goethite.  

6.3 Silice

La silice existe dans les matériaux d'origine, soit sous forme libre ( cristallisée : quartz ; beaucoup plus rarement amorphe : opale ), soit sous la forme combinée ( silicates ). L'altération libère de l'acide monosilicique ( SiO4H4) soluble, qui prend plus ou moins rapidement la forme amorphe ou cristalline ; par ailleurs, la silice, à la différence de l'aluminium et surtout du fer, est fortement recyclée par la végétation, bien qu'elle ne soit pas indispensable à la vie des plantes,et elle s'accumule dans la litière sous forme de phytolithes ( bio opale ).

Les apports annuels de bio-opale par les litières ascillent entre 10kg/ha/an (forêt résineuse) et 50 kg/ha/an (forêt feuillue). La bio-opale des mull de feuillus se solubilise très vite , puis est recyclée par la végétation, à l'inverse de celle des moder et des mor résineux, qui est peu soluble et s'accumule en A0A1  et en Bh après migration dans les sols podzoliques  ( Bartoli et Souchier, 1978 ).

Dans les milieux suffisamment confinés, la silice soluble est absorbée par l'alumine insoluble  ( ou peu soluble à pH supérieur à 5 ) et forme un gel mixte alumino-silicique, d'autant plus riche en silice que le pH est élevé : ce gel mixte évolue vers les allophanes, lorsqu'une grande quantité de matière organique freine la cristallisation, ou vers des argiles de néoformation, dans le cas contraire ( monosiallitisation, bisiallitisation, suivant le pH ).

Les pertes de silice par drainage sont beaucoup plus importantes dans les sols de climats chauds et humides ( sols ferralitiques ), qu'en climats tempérés ( sols brunifiés ), en raison du recyclage qui existe dans ces derniers ; les néoformations d'argile, par contre restent très limitées en milieu tempéré, à l'inverse de ce qui s'observe en climat chaud.

6.4 Manganèse       

Existant en faible quantité dans les minéraux ferro-magnésiens et certaines smectites, le manganèse est libéré par altération sous la forme Mn2+ échangeable : il évolue par oxydation et se concentre, dans certains sols, au sein de concrétions ferromanganiques ( forme insoluble MnO2

Il constitue un oligo-élément indispensable à la vie des plantes ; absorbé par celles-ci sous la forme Mn2+, il retourne au sol, par les litières, sous la forme complexée par la matière organique. Par biodégradation de l'anion complexant, il reprend la forme   Mn2+, et évolue, dans les mull, par oxydation vers la forme Mn3+, dite facilement réductible, donc assimilable, qui peut exercer une action toxique si un certain seuil est dépassé. Dans les moder ou les mor, il reste à l'état Mn2+ , il est alors facilement éliminé par drainage . Autotal, le manganèse assimilable est toujours beaucoup moins abondant dans les moder (et les mor ) que dans les mull.

 

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SUITE 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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Date de dernière mise à jour : 21/06/2014