Aspects théoriques sur la pédogenèse (mécanisme de formation des sols)

Il est communément dénommé sols tous les matériaux géologiques rencontrés à la surface de la terre et sur lesquels vivent et se développent tous les êtres vivants organiques faunistiques (dont l’homme) et floristiques. Dans cette optique, on parle de sol rocheux dans le génie civil. On distingue deux grands types de sols : – les sols autochtones qui se forment sur place et qui n’ont pas été déplacés et – les sols allochtones qui résultent de l’accumulation de produits provenant d’ailleurs. 3.1. Les sols autochtones : – forment une mince pellicule (de quelques millimètres à une centaine de mètres {rarement plusieurs centaines} de puissance) ; – proviennent de la transformation des roches sous les effets de l’altération qui fait intervenir les agents météorologiques agissant par le biais de processus divers physiques, mécaniques, chimiques et telluriques; – sont constitués de fractions minérales et de fractions de matières organiques. 

Les sols allochtones

Ils proviennent de la désagrégation suivie de démantèlement puis de transport et dépôt des matériaux géologiques en amont du lieu des observations. Dans tout ce qui suit, il ne sera quasiment question que des sols autochtones. Un profil de sol ou un profil pédologique (Figure 9) exprime la stratification des faciès successifs de l’évolution des produits d’altération de la roche initiale (dite roche – mère) par les effets consécutifs, conjugués et combinés ainsi que juxtaposés des différents processus d’altération au cours des temps géologiques. Au commencement, la roche – mère aurait affleuré. Elle subissait les actions essentiellement mécaniques des agents météorologiques dont le plus actif est la pluie donc l’eau. Au fur et à mesure que d’autres processus interviennent sur les produits antérieurs de l’altération, l’interface roche saine – sols qu’on définit comme étant le front d’altération avance vers la profondeur. Si les conditions météorologiques sont favorables, l’humus (qui résulte des actions combinées des animaux, des plantes et des bactéries) se développe en surface et crée un contexte favorable à la vie végétale qu’elle soit naturelle ou anthropique 3.3. Les principaux mécanismes de l’altération L’altération est l’ensemble des processus physiques, chimiques et biochimiques qui transforment la roche – mère. La nouvelle roche ainsi formée est le sol. L’altération est une action géologique qui peut se produire dans n’importe quelles conditions sous l’effet de différents agents dont l’air, le vent, le gel – dégel et même l’homme. Mais de loin, le plus important agent d’altération est l’eau sous toute ses formes (gouttes de pluie, ruissellement, infiltration, accumulations diverses dont les glaciers, …). Un des mécanismes associés à la pédogénie et dû à l’agent d’altération est la libération des ions constituants de la roche mère (RABENANDRASANA, 2015) RAKOTOSOA ANDRITIANA NARISON H. Page 16 soit pour les recombiner pour former les sols dit néoformés soit pour favoriser leur rétention dans les sols néoformés soit pour les mettre en solution et les emporter (lessivage ionique). Pour ce faire, l’eau met en œuvre deux processus majeurs: l’altération physique et l’altération chimique.

L’altération physique ou désagrégation mécanique 

Processus de l’altération physique: La désagrégation mécanique des roches vient du fait de la fragmentation de la roche – mère qui, à termes, aboutit à sa micronisation. Les principaux facteurs qui interviennent sont : – les variations de la température qui provoquent la dilatation et la contraction des roches dont l’alternance conduit à leur fissuration puis à leur éclatement. La fissuration est d’autant plus importante que si la roche est constituée de différents minéraux n’ayant pas le même coefficient de dilatation. Les microfissures apparaissent alors aux interfaces minérales. Il s’ensuit la dissociation des fragments de la roche qui est amplifiée par la présence préalable de caractères d’hétérogénéité physique (failles, fractures, schistosité, porosité, plans de stratification, …) ; – le gel – dégel : l’eau liquide dans les vides de la roche (fissures et pores) se transforme en glace par le franchissement vers le bas du seuil de 0 °C de la température (gel). Il s’ensuit alors une augmentation de volume de 9 % en moyenne de l’eau. La glace qui croît perpendiculairement aux surfaces des vides augmente ces dernières et la roche devient gélive et elle éclate (cryoclastie ou gélivité). La glace exerce alors une pression disruptive (allant jusqu’à 15 kg / cm2) qui fait éclater la roche en des fragments (gélifracts) dont la forme dépend de la structure de la roche. Le plus souvent les gélifracts sont anguleux ou lamellaires. La glace redevient de l’eau liquide lors du franchissement vers le haut du seuil de 0 °C. La répétition du cycle gel – dégel désagrège la surface des roches sur ses premiers décimètres. La désagrégation mécanique est particulièrement importante dans les régions – où la différence des températures diurnes et nocturnes est très élevée (plus de 50 °C dans les climats désertiques) ; – où le franchissement du seuil de 0 °C est fréquent ; La désagrégation mécanique des roches est relativement moindre dans les régions à saisons contrastées (cas des climats tropicaux). Elle est responsable de la formation du manteau d’éboulis caractéristiques des zones désertiques et des reliefs positifs (collines et montagnes). Toutefois, et au fil des temps géologiques, la désagrégation mécanique est responsable de la constitution des particules de plus en plus fines qui sont de plus en plus mobiles et s’épanchent sur des surfaces de plus en plus grandes pour favoriser ainsi l’altération chimique. La désagrégation mécanique est particulièrement efficace sur les roches granitiques et confère à des empilements de boules. Ce type de relief résulte du fait que les granites présentent très souvent un système de fracturation suivant trois directions perpendiculaires qui délimitent ainsi des blocs plus ou moins parallélépipédiques (Figure 10-a,-b). Les eaux d’infiltration altèrent ces blocs, surtout au niveau des angles et isolent des boules (Figure. 10-c) qui, sous l’effet de  la gravité, ces boules glissent et accélère en conséquence l’altération. Elles peuvent également débouler sur les flancs des collines ou montagnes et former des éboulis chaotiques. (Documents RABENANDRASANA, 2015) Figure 9: Profil d’altération en climat tempéré. Figure 10- a: Percolation de l’eau dans les fractures Figure 10- c: Chaos granitique sous forme de blocs arrondis après lavage par l’eau des détritus. Figure 10- b: Formation des blocs à partir les diaclases. (Documents RABENANDRASANA, 2015) (Documents RABENANDRASANA, 2015) RAKOTOSOA ANDRITIANA NARISON H. Page 18 Suivant la taille des fragments résultant de la désagrégation mécanique des roches, on obtient trois catégories des éléments détritiques (tableau 1) : Tableau 1: Classification granulométrique des éléments détritiques. Nomenclature Taille des fragments Rudites Blocs >20 cm, Cailloux entre 20 et 2 cm, Graviers entre 2 cm et 2 mm Arénites Sables entre 2 mm et 50 m (0,05 mm) Lutites Limon : entre 50 m (0,05 mm) et 2 m (0,002 mm), Argiles – Pélites : < 2 m 3.5. L’altération chimique L’altération chimique s’opère par le biais de réactions chimiques entre les solutions aqueuses et les minéraux des roches. Elle aboutit à la mise en solution des ions constitutifs des minéraux des roches. L’eau pure H2O subit en permanence des dissociations suivant la réaction : H2OH + + OH . Il en résulte alors la disponibilité des ions H+ et OH- . La concentration des ions H+ détermine le pH (potentiel d’hydrogène) du milieu qui est défini comme étant pH =  log [H+ ]. A la température normale, il y a 10-7 moles d’ions hydrogène et autant d’ions de OHdans un litre d’eau pure. Le pH est donc 7 et est neutre (pH = 7). Le milieu est dit amphotère. L’apport d’ions hydrogène diminue le pH et rend le milieu acide. Cette acidité est apportée notamment par le CO2 et les acides humiques du sol suivant la réaction suivante : H2O + CO2  H2 CO3  H + + (HCO3)  Le pH est rendu inférieur à 7 et le milieu est basique si le pH7.  Le pH des eaux naturelles Le pH des eaux naturelles ont une grande influence sur la solubilité des ions et sur la précipitation des minéraux. On peut faire une distinction grossière des eaux naturelles en fonction de leur pH (Tableau 2) : Tableau 2: pH des eaux naturelles. pH Type d’eaux pH Type d’eaux 10 Sols alcalins 4 Tourbières 8,5 Eau de mer 3 Eau de mine 7 Eau de rivière 1 Sources chaudes acides 6 Eau de pluie  Processus de l’altération chimique (RABENANDRASANA., 2015) (RABENANDRASANA., 2015) RAKOTOSOA ANDRITIANA NARISON H. Page 19 Ce sont surtout les ions de l’hydrogène qui sont responsables de la destruction des réseaux silicatés. Ils déplacent les cations métalliques qui se recombinent avec l’hydroxyle OH . Il s’agit donc principalement de l’hydrolyse ou la destruction par l’eau. Ce processus conduit à l’altération de la roche – mère. On parle alors de « l’altération par hydrolyse ». 

L’altération par hydrolyse

Les molécules sont dipolaires. L’eau en remplissage des vides des roches (pores et fissures) oriente ses pôles négatifs vers les surfaces des réceptacles dont les faces des minéraux permettant ainsi la substitution isomorphique entre les éléments chimiques de l’eau et ceux du milieu cristallin. H+ remplace des cations des minéraux rendant ainsi libres lesdits cations que l’eau transfère vers d’autres destinations. C’est le mécanisme de lessivage ionique (particulièrement cationique). L’édifice minéral est alors détruit et la charpente silicatée n’est plus stable. La réaction générale de l’hydrolyse est Minéral primaire + eau ↔ Minéral secondaire + Solution de lessivage Le transfert des ions libérés du minéral primaire peut être estompé par d’autres mécanismes géologiques ultérieurs (exemple de la présence d’un front d’oxydo – réduction dont la zone de cémentation qui est un niveau de concentration des minéraux supergènes aux dépens des minéraux hypogènes). Deux types d’hydrolyse sont décrits :  l’hydrolyse totale qui transforme un minéral primaire en de plus petits composés. Le cas de l’hydrolyse de l’orthose est classique : K(Si3Al) O8 + 8H2O ↔ Al(OH)3 + (K+ ,OH- ) + 3H4SiO4 Orthose eau gibbsite solution de lessivage  l’hydrolyse partielle qui est responsable de la formation de l’argile dont la nature diffère en fonction de la disponibilité en eau o cas de l’hydrolyse partielle de l’orthose dans des conditions d’une faible disponibilité en eau 2,3 K(Si3Al) O8 + 8H2O ↔ K0,3Al2(Si3,7Al0,3)O10(H2O)2 + 3,2Si(OH)4 + 2(K+ ,OH- ) Orthose eau smectites solution de lessivage o cas de l’hydrolyse partielle de l’orthose dans des conditions d’une grande disponibilité en eau 2K(Si3Al)O8 + 11H2O ↔ Al2Si2O5(OH)4 + 4Si(OH)4 + 2(K+ ,OH- ) Orthose eau kaolinite solution de lessivage Il est identifié comme réservoir un volume suffisamment grand de la roche – mère tel que les apports et les départs d’éléments chimiques n’affectent pas la composition chimique globale du milieu. La respiration des êtres organiques augmente d’une manière conséquente les effets de l’hydrolyse en augmentant la quantité de CO2 disponible et ce, suivant la réaction suivante : CO2 (gaz) + H2O → H2CO3 2- ↔ CO3 2- + 2H+ RAKOTOSOA ANDRITIANA NARISON H. Page 20 Quoique d’importance moindre par rapport à l’hydrolyse, il existe d’autres processus d’altération chimique : la dissolution, l’hydratation, les réactions d’oxydo – réduction, les carbonatations – décarbonatations interviennent également dans l’altération des roches. Les éléments solubles sont lessivés. Les parties insolubles restent sur place, se recombinent et forment des minéraux de néoformation, principalement des argiles. La température joue un rôle majeur pendant ces processus puisque sous un climat chaud, les réactions peuvent être de 100 fois plus rapides.

L’altération par carbonatation – décarbonatation

La carbonatation est le processus à l’origine de la formation des carbonates par l’intervention du CO2 dissout dans l’eau. La réaction générique est M2+O + CO2 ↔ MCO3. La décarbonatation est par contre le processus responsable de la solubilisation des calcaires et des dolomies sous l’action du CO2 dissout dans l’eau. La réaction générale de la décarbonatation est CaCO3 + CO2 + H2O ↔ Ca(CO3H)2 soluble. Elle ne concerne que les roches et les minéraux calcareux.