Pedogénèse. 1

LA GENESE ET L'EVOLUTION DES SOLS

I.Les processus physico-chimiques de la pédogénèse

L'évolution d'un sol est caractérisée par trois processus distincts :

1) Décomposition et altération progressive des roches = formation d'un complexe d'altération

2) Apparition, augmentation, puis équilibre dans la fabrication-consommation de la matière organique

3) Migrations : = déplacements des éléments solubles et colloïdaux d'un point à l'autre du profil sous l'effet de l'eau => constitution d'horizons appauvris et d'horizons enrichis.

A. Décomposition des roches et formation du complexe d'altération

Conséquence d'un double processus : désagrégation physique et mécanique ; altération chimique.

Physique et mécanique : fragmentation de la roche. Phénomène important notamment en climat froid et désertique ( voir géologie )

Chimique : Conditionnée par deux facteurs principaux : l'eau et la température. Par conséquent, la vitesse d'altération chimique sera portée à son maximum en climat équatorial humide; elle restera lente en climat froid et désertique.

L'altération chimique naissance :

- à des produits solubles ( sels alcalins, alcalino-terreux, un peu de silice etc...)

- à des gels colloïdaux ( sels Al, Fe,...)

- à des éléments microcristallins feuilletés ( argiles ).

Certains auteurs ont défini le taux d'altération par le rapport Al2O3 des colloïdes / Al2O3 total.

Principaux processus d'altération

1. Dissolution : rapide ( sels solubles ); lente ( carbonates alcalinoterreux).Cette dissolution peut s'exercer sur le sel ( + de 350 gr/l), le gypse ( 2 à 2,5 gr /litre) , peu sur le calcaire ( 0,013gr/l). Mais le pouvoir dissolvant de l'eau est fortement augmenté par la présence de CO2, dissous par les pluies dans l'atmosphère ou dans le sol, ou par sa  teneur en acides organiques  : cette eau acidifiée peut dissoudre jusque 1,8 gr/ litre de calcaire .

CaCO3 + CO2 + H2O --> Ca(CO3H)2 , c'est par ce phénomène , la décarbonatation, que s'altèrent les roches calcaire , et que s'élimine progressivement du sol le calcaire qu'il contient.

2. Hydratation : certains colloïdes s'hydratent ( ex. certains sels ferriques qui, par hydratation cimentent certains grès rouges --> grès rouge des Vosges ).

L'hydratation est un agent de désagrégation des roches schisteuses et marneuses, mais elle altère aussi chimiquement les minéraux riches en fer , les faisant changer de volume, de couleur et de propriétés. Exemple :

Fe2O3 : hématite rouge :

+ H2O --> Fe2O3. H2O ( Goethite, brune )

+ 2H2O ---> Fe2O3. 2H2O ( Stilpnosidérite, ocre )

+ 3H2O ---> Fe2O3. 3H2O ( Limonite, jaune )

3. Réduction et oxydation : les oxydes de fer sont réduits sous l'effet d'eaux chargées de matières organiques, sont plus solubles et plus mobiles ( cf. migrations ). Les sels ferreux prennent une teinte gris bleuâtre ( gley réduit ); les sels ferriques apparaissent sous la forme de tâches de rouille ( gley oxydé).

4. Hydrolyse : H2O <==> H+ + OH- .

Lorsque l'eau est acide ( + CO2 + ac. humique), il s'agit d'une hydrolyse acide = cas général.

Parfois on a affaire à une hydrolyse alcaline ( ions OH- libérés par l'altération de la roche : cf sols tropicaux )

L'hydrolyse des minéraux silicatés aboutit à la formation des argiles

Voici ces minéraux :

a) Les silicates d'alumine ( Silice + alumine + autres éléments )

- les FELDSPATHS : Feldspaths potassiques ou alcalins dont le principal est l'orthose, constitués de Silice + alumine +potassium ; feldspaths calco-sodiques ou plagioclases : silice + alumine + calcium ou sodium.

- les MICAS : Micas blancs : silice + alumine + potassium ; micas noirs : silice + alumine + potassium + magnésium + fer

b) Les silicates ferro-magnésiens ( silice + magnésium + fer + calcium +parfois Al ).

- Les AMPHIBOLES  et PYROXENES (noirs), l'OLIVINE ou péridot ( verte) 

6 SiO2Al2O3K2O (Orthose) + 2 H2O --> 4 SiO2Al2O3 H2O ( Montmorillonite) + 2 KOH ( Potasse) + 2 SiO2 (Silice)

6 SiO2Al2O3K2O + 3 H2O --> 2 SiO2Al2O3 2 H2O ( Kaolinite ) + 2 KOH + 4 SiO2

Ce simple exemple montre que le même silicate peut aboutir à deux argiles de propriétés très différentes selon les réactions d'hydrolyse. Des réactions d'ailleurs très lentes, très complexes, incomplètement connues, et dont le déroulement varie profondément selon le milieu écologique : le climat, la roche mère, la topographie, la végétation et le type d'humus. 

2. Quelques exemples d'altération

- Roches cristallines : altération d'autant plus rapide qu'elles sont plus riches en base et en fer et moins riche en silice, le processus dominant est l'hydrolyse.Les roches acides ( granite ) produisent moins d'argiles que les roches basiques ( basalte ).

- Roches sédimentaires : dissolution ( roches salines, certains calcaires ); hydratation ( certains grès ferriques ), oxydation ( certaines marnes ).Les argiles des roches sédimentaires proviennent en général d'argiles préexistente dans la roche mère. A remarquer que les calcaires s'altèrent de deux manières différentes suivant le type de roche :

+ Calcaires dur : action du CO2 ( bicarbonate )

+ Calcaires tendres : gonflement par hydratation des argiles  

Les résultats généraux de l'altération dépendent surtout du climat général ( température et eau ), du climat local et des facteurs stationnels : roche mère, relief, végétation.

3. Le climat général

En climat tempéré : hydrolyse acide sur une profondeur de +/- un mètre; perte moyenne en bases et en silice ; synthèse d'argile faible  surtout en milieu acide et bien drainé ( les argiles sont surtout "transformées " )

En climat chaud et humide : hydrolyse neutre ou faiblement alcaline agissant sur une profondeur de plusieurs mètres ; entraînement à grande profondeur des bases et de la silice, tandis que les sesquioxydes ont tendance à s'accumuler . Ces sols sont donc plus riches en sesquioxydes , pour une même roche mère qu'en climat tempéré, et la néoformation des argiles - type kaolinite donc pauvre en silice  - tend à l'emporter sur les processus de transformation.

4. Les conditions locales : la station et la végétation

- En climat chaud, ce sont surtout le relief et les conditions de drainage qui l'emportent :

+ sur sols de pente ( drainage important) : pau de synthèse d'argile parce que l'argile est éliminée = cas extrême d'altération limitée aux climats équaoriaux en stations très particulières .

+ si drainage moyen et milieu acide : synthèse de kaolinite ( sols ferrallitiques et certains sols ferrugineux tropicaux ).

+ si bas fonds marécageux, en présence de Ca ou Mg : synthèse de Montmorillonite ( dite de " néoformation )

NB; En climats très humides et sous forêt, on peut constater une forte acidification superficielle conduisant à l'hydrolyse acide des argiles de surface , comme en climat tempéré. 

-. En climat tempéré : Le type d'humus formé l'emporte sur la topographie   . L'humus est une résultante dont une composante est la topographie

+ Sur mull actif peu acide : les illites dominent généralement ; elles évoluent en vermiculite si le milieu s'acidifie

+ Sur mor : synthèse d'argile stoppée dans les horizons supérieurs parce que ses constituants sont entrainés ( voir podzols )

5. Mode de formation des argiles sur roches cristallines : héritage, transformation,néoformation

Les silicates des roches cristallines peuvent, suivant les conditions de milieu, être altérés selon deux grands modes d'hydrolyse : 

Une HYDROLYSE TOTALE

Celle-ci aboutit à la libération complète des minéraux silicatés : silice, alumine, bases. Puis une recristallisation plus ou moins poussée de ces éléments pour former des argiles ,c'est pour cette raison que l'on appelle ces argiles " néoformées " .Ce mode de formation caractérise les climats tropicaux chauds et humides . L'hydrolyse est généralement neutre ou alcaline , et en tout cas l'influence acidifiante des matières organiques n'y est pas prépondérante comme ell l'est sous climats tempérés   

Les argiles formées dépendent du climat et surtout du milieu plus ou moins lessivant ( lessivage = entraînement des argiles ) ou au contraire confiné :

- La montmorillonite se forme si le milieu est neutre ou alcalin ( présence nécessaire d'ions Ca ou Mg ), l'humidité du sol élevée ( milieu mal drainé), et si le climat présente une saison sèche marquée, favorable à la recristallisation de l'argile.  

- La kaolinite se forme si le drainage est plus accentué ( élimination d'une grande partie de la silice ) et milieu de ce fait plus acide ( lessivage des bases ).

- Enfin, si le drainage et l'acidité sont encore plus forts , la silice est entièrement entraînée et aucune néoformation d'argile n'est plus possible : le sol ne contient plus que de l'alumine pure ( Al2O3 ou gibbsite )et des oxydes de fer. Il s'agira de sols ferralitiques, des mots fer et alumine.

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Une HYDROLYSE PROGRESSIVE

Hydrolyse souvent incomplète des minéraux silicatés. Le structure cristalline de ces derniers est modifiée par élimination de la silice  et de bases , et hydratation, pour donner des argiles dites "héritées"  ( faibles modifications par rapport aux minéraux cristallins ou " transformées " ( modifications importantes ). Ce mode de formation des ariles caractérise les climats tempérés, où l'abondance des acides organiques détermine 3 types d'hydrolyse et plusieurs variétés d'argiles.

a) Une hydrolyse neutre ou peu acide en milieu suffisamment riche en Ca et en Mg ( certaines roches cristallines en contiennent assez, mais dans la plupart des cas en sont peu pourvues ). Les argiles formées sont dites " héritées " car très proches des minéraux qui leur ont donné naissance , ce sont :

- des illites issues des micas dont les feuillets gardent leur structure , perdant seulement une partie des ions K intercalés entre ces feuillets, qui ne peuvent s'ouvrir ( argiles peu gonflantes )

- des montmorillonites formées à partir des illites ( argiles dites transformées ), en milieu plus riche en Ca, par élimination des ions K interfoliaires et écartement des feuillets

- des Chlorites magnésiennes , héritées de certaines roches magnésiennes dont les feuillets de silice et d'alumine emprisonnent un feuillet de magnésie

b) Une hydrolyse acide ou acidolyse , en milieu pauvre en bases, ce type d'hydrolyse , très fréquent sous climats tempérés, donne des argiles transformées dites " de dégradation" qui sont, par degré d'acidité croissant ( et donc d'activité biologique décroissante) :

- des vermiculites, argiles voisines des montmorillonites, bien que moins gonflantes et à capacité d'échange plus faible. Elles proviennent d'ouverture de feuillets d'illites et élimination des ions K

- des vermiculites alumineuses se formant en milieu plus acide mais drainé : des îlots d'ions hydratés Al(OH)2+ s'intercalent entre les feuillets

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c) Une hydrolyse très acide, ou complexolyse . Ce mode d'altération met en oeuvre l'action de composés organiques solubles ( acide oxalique et citrique, composés phénoliques ) formés dans les sols à activité biologique très réduite , ces composés n'agissent pas seulement par leur acidité ( ions H+ ) , mais surtout en formant des complexes solubles avec le fer et l'alumine inclus dans les minéraux silicatés et les argiles . Ils détruisent ainsi plus ou moins complètement ces argiles, sans qu'aucune néoformation ne soit plus possible. 

Dans un premier stade les argiles sont dégradées en montmorillonite de dégradation , puis dans un stade ultime cette montmorillonite est complètement dégradée pour ne donner que de la silice libre et de l'alumine complexée ou soluble. 

En résumé d'après Duchauffour :

Une statistique d'ensemble effectuée à l'échelle mondiale et dans des stations de drainage comparables , montre qu'il existe une relation entre le mode d'altération et le climat général.

- Climats froids et humides : importance de la matière organique qui accélère les processus d'hydrolyse et contrarie la synthèse ou la conservation des argiles, complexolyse...

- Climats tempérés et chauds : l'altération est essentiellement climatique ; la synthèse d'argile augmente et passe par un maximum en climats continentaux ou tempérés chauds à saisons très contrastées ( montmorillonite ), ce sont les hydrolyses acides qui dominent.

- Climats chauds et humides: synthèse d'argiles de moins en moins riches en silice ( type kaolinite ), tandis que la proportion de sesquioxydes libres augmente dans le sol, c'est l'hydrolyse neutre ou alcaline qui domine- ferrugination 

- Climats équatoriaux très humides et milieux très drainés : ralentissement de la synthèse d'argiles, la gibbsite est l'élément dominant du complexe d'altération, ferralitisation, hydrolyse alcaline .

D'où quatre types d'altérations à l'échelle mondiale

PODZOLISATION : altération biochimique des pays froids

BISIALITISATION : climats tempérés ( argiles 2/1 )

MONOSIALLITISATION : climats tropicaux d'humidité moyenne ( argiles 1/1 )

ALLITISATION : climats équatoriaux très humides

Remarque : Certaines néoformations d'argile sont possible en climat tempéré : la kaolinite dont nous n'avons pas signalé la formation sous climat tempérés, peut cependant s'y former un peu soit par néoformation, dans des sols peuacides , sans matières organiques , et pas trop drainés , soit par transformation des illites par perte de silice ou par gain d'alumine , en milieux très acides . 

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Date de dernière mise à jour : 23/06/2015