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Etude des sols - Pédologie -

Formation des sols, constituants > Tous les articles

    Le sol est une formation naturelle, un milieu organisé qui se transforme continuellement sous l'influence de processus physiques, chimiques, biologiques et humains. Il évolue dans  le temps et dans l’espace.
    Il se développe et croit à la fois par sa base à partir de la roche mère (matière minérale) et à la fois par sa surface constituée de matière organique (débris d'origine végétale et animale).

    Le sol résulte de l’union de la matière minérale provenant de la roche mère décomposée en argiles et de la matière organique fraîche provenant des débris organiques décomposée en humus. La croissance et l'évolution des sols se fait à des vitesses variables selon les zones climatiques.

Les facteurs qui influent sur la formation du sol

    De nombreux facteurs interfèrent dans la formation des sols, ce qui explique la grande diversité des types de sols rencontrés. Les facteurs les plus importants sont la nature de la roche mère ou matériau d’origine, le climat,  le temps, la végétation. D'autres facteurs comme le relief, la topologie du terrain et l’intervention de l’homme ont également leur importance.  

    Comment influent ces facteurs ?

La roche mère et les formations superficielles
    Le sol se trouve au dessus de sa roche mère, son matériau d'origine. La roche mère affleure à la surface du globe suite à des mécanismes géologiques (tectonique des plaques, volcanisme, glaciation, érosion...). D'origine géologique variée: magmatique, métamorphique ou sédimentaire, la roche initiale, dite roche mère est une roche dure ou meuble qui s'est formée, il y a des millénaires.
    Une roche est constituée d'un assemblage de plusieurs minéraux identiques ou différents. Exemples: le granite est une roche magmatique formée par l'assemblage de minéraux de quartz, de micas et de feldspaths; le calcaire est une roche sédimentaire qui contient en forte proportion un minéral appelé: calcite. Ces minéraux principaux sont appelés: minéraux primaires. Les roches renferment également en faible quantité d'autres minéraux appelés: minéraux accessoires.

Minéraux du granite - quartz (cristaux translucides) , micas (cristaux noirs), feldspaths (cristaux roses et blancs)

            Minéraux du granite - quartz (cristaux translucides) , de micas (cristaux noirs) et de feldspaths (cristaux roses
            et blancs)

 

Les minéraux sont eux-mêmes constitués d'un assemblage d'éléments chimiques (atomes). Chaque minéral est défini par une composition chimique donnée. Par exemple:
    - le quartz définit par la formule chimique: SiO2 est constitué par l'assemblage d'un atome de silicium et de deux atomes d'oxygène,
    - la calcite de formule CaCO3 est formée d'un atome de calcium, d'un atome de carbone et de trois atomes d'oxygène.
Les principaux éléments chimiques (atomes) présents dans le sol sont :  l'oxygène (O) , le silicium (Si), le carbone (C), l'aluminium (Al), le fer (Fe), le calcium (Ca), le potassium (K), le sodium (Na), le magnésium (Mg). 
Les éléments chimiques se présentent sous forme d'ions (atomes ayant perdu ou gagné une charge électrique). Certains ions sont pourvus de charges électriques positives, on les appelle des cations, d'autres sont pourvus de charge électriques négatives, on les appelle des anions. Les ions de charge électriques contraires s'attirent.

    Au  cours du temps, les roches vont être désagrégées par l'érosion, les minéraux primaires vont se séparer  et être altérés par des réaction chimiques provoquées par l'eau de pluie et les solutions acides des matières organiques.
    Les atomes présents dans le minéraux sont dans un premier temps libérés, mis en solution lors de ces réactions chimiques. puis ils se recombinent, recristallisent à partir des éléments en solution pour former de nouveaux minéraux appelés minéraux secondaires. Les principaux minéraux secondaires que l'on trouve dans les sols sont: les argiles au nom de: Illites, vermiculites, montmorillonites ou  kaolinites selon leur composition, les oxyhydroxydes de fer, d'aluminium, de manganèse, de silicium et  dans les sols calcaires constitués de calcite: du gypse. La taille de ces minéraux est très fine souvent inférieure à 2 microns.

   Les formations superficielles* constituées soit d' alluvions anciennes* étagées en terrasses le long des fleuves, soit de colluvions* qui ont glissés le long des pentes,soit de  limons loessiques* déposés par les vents, soit de dépôts glaciaires  peuvent également constituer le matériau d'origine et  selon leur nature et leur ancienneté de dépôt influencer les caractéristiques morphologiques des sols.

Saint-Estéphe - Les graves couvrent le sol - © M.CRIVELLARO

Saint-Estéphe - Les graves garonnaises formations superficielles reposant sur  du calcaire lacustre de Plassac couvrent le sol sur  4 à 11 mètres d'épaisseur.

En résumé: au contact des racines des plantes, des micro-organismes du sol, de l'eau de pluie  et des conditions atmosphériques environnementales, différentes selon les régions, la roche mère se fragmente, s'altère, se décompose pour donner un mélange de minéraux primaires et secondaires que l'on trouve dans le sol sous forme granulométrique de sables, de limons et d'argiles. Ces éléments associés à de la matière organique vont former les différents agrégats de particules élémentaires qui composent la terre fine du sol.

 

 
 Au cours du temps, se forment des couches homogènes, superposées, parallèles à la surface, appelées : horizons. Selon le nombre d'horizons, on a des sols plus ou moins diversifiés.  voir  [Horizons - Classification des sols]

Formations superficielles*: désigne les dépôts glaciaires (moraines) et fluvioglaciaires (limons, alluvions) déposés au quaternaire et les éboulis.  
Alluvions anciennes*: les alluvions sont les sédiments des cours d'eau: galets, graviers sables. Les alluvions anciennes ont été déposées au quaternaire, elles forment des terrasses. Le lit des rivières actuelles étant plus bas. 
Colluvions*: dépôts de bas de pente provenant de l'érosion des versants. 
Limons loessiques*: dépot argilo-calcaire, composé de particules très fines transportées par le vent à leur emplacement actuel.

 

Le climat
    Le climat joue un rôle important dans la formation et les caractéristiques des sols. Il a un impact sur la végétation. La température intervient dans la vitesse d’altération des roches, dans la vitesse de décomposition des matières organiques.
    En climat humide, la pluie dissout les éléments minéraux, provoque des réactions chimiques, lessive,  appauvrit en certains constituants la partie supérieure du sol et entraîne dans les couches inférieures les particules fines.
On a constaté que les climats anciens (époque glaciaires, …) ont eu une influence importante sur les caractéristiques des sols actuels.

Le temps
    Les sols se forment lentement. L' échelle de temps pour la formation d'un sol, pour qu'il arrive  à maturité (développement complet des horizons) se mesure en milliers d'années. Le temps de formation d'un sol dépend du climat.
    Le temps mis par un sol pour arriver à maturité peut aller de dix mille ans dans les zones froides à cent ans dans les zones tropicales. Mais les sols peuvent être rapidement dégradés, et ne sont que très lentement renouvelables.

La végétation, les micro-organismes, le système racinaire.
    La végétation est différente selon les lieux géographiques (montagnes, vallées, …), les climats, les roches du sous-sol ….
    Les débris végétaux  s'étalent sur le sol, forment des litières (couches de matières organiques fraîches) qui se décomposent au fil du temps plus ou moins rapidement selon la zone climatique et se transforment en humus sous l’action des organismes et micro-organismes vivants dans le sol: bactéries, champignons, acariens, vers de terre, limaces, escargots, scarabées, fourmis, larves, taupes, mulots, .... Les matières organiques sont riches en carbone (C), hydrogène (H) et oxygène (O). L'humus et les argiles issues des minéraux de la roche d'origine vont s'associer et former les différents agrégats de particules élémentaires qui composent la terre fine du sol.
    Le sol  est exploité par les racines des végétaux (système racinaire) qui puisent l'eau et les substances nutritives nécessaires à leur développement, en échange, elles redonnent, des substances riches en carbone qui nourrissent certains microbes, elles aèrent  et forment des conduits qui servent au passage de l’eau et des gaz.  Elles jouent un rôle important dans la vie du sol.

Climat, matériau d'origine, végétation entraîne la formation d’un type de sol particulier Les propriétés des sols reflètent les caractéristiques de ces facteurs.

Les constituants des sols

    Les principaux constituants du sol sont:
          - les constituants minéraux (matières minérales solides);
          - les constituants organiques (matières organiques solides formées de débris d'origines végétale et animale
            décomposés en humus);
          - les vides emplis de gaz (oxygène, azote, gaz carbonique);
          - la " solution du sol ", formée d'eau et de substances minérales dissoutes.

Constituants minéraux du sol -  Altération des roches - Argiles

    Dans le sol, on trouve des constituants minéraux qui résultent de la fragmentation et de l'altération de  la roche mère. Deux mécanismes de transformation de la roche entrent en jeu, un processus physique (fragmentation, désagrégation) qui sépare les minéraux primaires des roches ( exemple: quartz, feldspath, micas sont les minéraux primaires du granite) et produit des fragments de même composition chimique que la roche d'origine et un processus chimique (altération chimique principalement hydrolyse* et Néoformation*) qui transforme les minéraux primaires comme le quartz, les feldspaths, les micas, ... en minéraux secondaires (argiles, oxyhydroxydes, ...).

La mise en place, la rapidité d'action des processus de transformation du matériau d'origine varient :
        - selon les situations géographiques, climatiques (climat tempéré, climat tropical,
          conditions de température à l'intérieur des sols qui favorisent les transformations chimiques);
        - selon les conditions hydriques (pluviométrie, composition des eaux qui traversent les sols);
        - selon les types de roches du sous-sol;
        - selon les activités humaines qui modifient les conditions naturelles;
        - selon les organismes  biologiques (animaux  et végétaux) vivants sur et dans les sols.

Tous ces facteurs explique la diversité des types de sols, aux échelles locales et continentales.

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           Désagrégation d'une roche calcaire

Désagrégation d'une roche calcaire - Photo Alain Ruellan
 

Lieu: Maroc, massif des Beni Snassene
Climat: méditerranéen semi-aride
Date : 28 juin 1971
Hauteur de la coupe : 150 cm

 

Voir livre: "Regards sur le sol" p.6

         Maroc - Photo Ruellan - Extrait blog Alain Ruellan

 

Processus physiques (fragmentation, désagrégation) 

Les principaux mécanismes de fragmentation et désagrégation des roches sont:
           - les fortes variations de température; elles provoquent la dilatation, la contraction des roches, les roches se
             fissurent puis éclatent.
           - le gel: l'eau pénètre dans les fissures, gèle, ameublit, désagrège la roche.

    Ces mécanismes conduisent à la fragmentation de la roche initiale. Les minéraux constitutifs de la roche d'origine se séparent les uns des autres; on obtient des matériaux primaires de diamètre plus ou moins fins. La désagrégation physique ne modifie pas la constitution des minéraux primaires, elle provoque seulement leur division; les éléments fins qui prennent naissance résultent d'un simple héritage de la roche d'origine, ils sont dits hérités , sans transformation, simplement séparés comme le quartz, le mica, le feldspath sont séparés du granite.

Processus chimiques (altération chimique, hydrolyse*, Néoformation*)
    L'altération chimique s'opère par le biais de réactions chimiques en présence d'eau (hydrolyse*). Les minéraux des roches sont composés d'éléments chimiques plus ou moins solubles. L'eau de pluie dissout les éléments chimiques et les libèrent sous forme soluble. Les minéraux primaires sont appauvris, ils perdent par dissolution des éléments chimiques ou en gagnent et  se transforment en minéraux secondaires dits hérités. Certains  éléments chimiques en solution se combinent, cristallisent (néoformation*) en nouveaux minéraux secondaires dits néoformés*. Les principaux minéraux secondaires néoformés sont : les argiles, les oxyhydroxydes de fer, d'aluminium, de manganèse, de silicium.
    La matière organique joue également un rôle important dans le processus de transformation et solubilisation (altération chimique). 

Les argiles sont le produit de la dégradation et de la transformation de roche à minéraux silicatés (micas, feldspaths,...) sous l'action de l'eau de pluie et des acides secrétés par les plantes. Les argiles sont des silicates d'alumine.  Le terme argile est employé  ici dans le sens d' argile minérale à ne pas confondre avec le mot argile utilisé en granulométrie pour désigner des éléments fins de taille inférieure à 2 microns. Il existe plusieurs types d'argiles minérales, elles portent les noms suivants: Illites, vermiculites, montmorillonites, kaolinites. Elles sont différenciées par leur nombre de charges négatives, Les charges négatives entourent les argiles et attirent les éléments minéraux chargés positivement présents dans la solution du sol  comme le  potassium, le sodium, le calcium, le fer.
Les argiles minérales sont des minéraux de taille très fine inférieure à 2 microns, ces minéraux se trouvent principalement dans la partie de la terre fine appelée : argile au sens granulométrique.  

 

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Tableau des types de roches et des minéraux  qui les constituent

 

Quelques minéraux primaires

Composition

Quelques minéraux secondaires

Roches magmatiques

Quartz, Olivine, pyroxènes, amphiboles

micas (biotite, muscovite)

feldspaths (plagioclase, orthose)

silice cristallisée

silice, alumine

Argiles,

Oxyhydroxydes de fer: goethite, hématite,

Oxyhydroxydes d'aluminium (gibbsite), de magnésium, de silicium.

Roches sédimentaires

Calcite (Carbonates de calcium), Dolomite

Gypse,

Quartz, micas,

feldspaths

 silice

 silicates

 carbonates

Argiles,

Oxyhydroxydes de fer: goethite, hématite,

Oxyhydroxydes d'aluminium (gibbsite), de magnésium, de silicium.

sRoches métamorphiques

 Quartz, micas, (biotite, muscovite), feldspaths (plagioclase, orthose)

Calcite (Carbonates de calcium), Dolomite

 

Argiles,

Oxyhydroxydes de fer: goethite, hématite,

Oxyhydroxydes d'aluminium (gibbsite), de magnésium, de silicium.

Hydrolyse* : mécanisme de dissolution d'un minéral dans l'eau
Néoformation* : mécanisme de formation d'un minéral à partir d'ions ou de molécule en solution.
Silicate*: qui contient de la silice

Constituants organiques du sol - Décomposition de la matière organique fraîche en humus

    Les végétaux sont composés de molécules organiques. Les  débris de végétaux et d'animaux déposés sur le sol tout au long de l'année forment la première couche du sol, appelée litière ou matière organique fraîche
    La matière organique fraîche est formée de détritus d'origines végétale et animale de nature différente selon le lieu. Ce sont: les feuilles mortes, les écorces, les bois morts, les cadavres d'animaux qui recouvrent le sol  des sous-bois et forment la litière forestière; ce sont: la paille, les herbes, les résidus de cultures,  dans les champs, les prairies et  les milieux cultivés qui restent sur le sol après la récolte et les moissons.
    La matière organique fraîche est constituée: de matières composées de carbone (C) et d'éléments minéraux. Peu ou pas transformée, la matière organique fraîche constitue la matière première de l'humus.
    La décomposition des matières organiques va  libérer des ions Het interférer sur le PH (acidité) du sol.

Décomposition de la matière organique fraîche - Humus
    Déposée sur le sol la matière organique fraîche  va être progressivement décomposée. Le mécanisme de décomposition   va transformer la matière organique en gaz carbonique (CO²) et libérer les éléments minéraux organiques quelle renferme.
    Le sol renferme un grande quantité d'organismes vivants (bactéries, champignons, acariens, vers de terre, limaces, escargots, scarabées, fourmis, larves, taupes, mulots, ...).  Ce sont ces organismes qui vont décomposer la matière organique fraîche , libérer ses composés qui vont subir un processus de minéralisation  ou d'humification.  

Minéralisation
   Une partie des composés subit un processus de minéralisation en libérant des composés minéraux solubles:  sulfates (SO42-), phosphates (PO43-),  ammonium (NH4+) ,  nitrates (NO3−) ou gazeux: gaz carbonique (CO²),

Humification.
   Une autre partie donne des molécules nouvelles complexes, de nature colloïdales* qui vont constituées l'humus: c'est le processus d'humification.
   L'humus est composé de plusieurs composés humiques, les principaux sont les acides fulviques, les acides humiques et l'humine.
   Par la suite les composés humiques qui forment l'humus, vont se minéraliser lentement à leur tour. C'est la minéralisation secondaire:  ils se transforment en minéraux solubles ou gazeux : (CO², SO42- , PO43-  , NH4+ , NO3, ...).

L'humus . Les types d'humus.  L'humus est de la matière organique décomposée qui va fournir une alimentation en carbone et une alimentation minérale au sol et aux plantes. Selon l'activité biologique et le climat, la matière organique fraîche va se transformer en humus plus ou moins rapidement. Différents stades de progression de la décomposition vont apparaître. et donner des couches d'humus aux caractères morphologiques différents. Ces couches sont dénommées: "mor" pour un humus peu évolué, "mull" ou "morder" pour des stades plus évolués.

L'humus, comme les argiles minérales joue un rôle important dans la fertilité du sol et l'alimentation des plantes en libérant des éléments minéraux lors de sa décomposition.

Colloïdes, adjectif colloïdales*: particules d'une ou plusieurs substances, restant en suspension, dispersées dans une autre substance.

Constituants liquides du sol: la solution du sol 

    La solution du sol représente la partie liquide des constituants, elle remplit les vides du sol, Elle contient en solution des minéraux dissous, du gaz carbonique et des substances acides provenant de la décomposition des matières organiques. Les éléments minéraux dissous sont présents sous forme ionique de charge positive, ce sont les cations : de calcium(Ca²+),  de potassium (K+), d'ammonium (NH4+), de sodium (Na+), de magnésium (Mg2+), ...
   Ces éléments vont être adsorbés par les racines des végétaux et assurer leur croissance.

Adsorbtion adjectif adsorbé*: l'adsorbtion est un phénomène de surface par lequel des atomes ou des molécules de gaz ou de liquides  se fixent sur une surface solide. A ne pas confondre avec absorption.

Formation des sols - Le complexe argilo-humique -  Les agrégats

Analyse visuel d'un échantillon de terre . La terre fine
    Dans un échantillon de terre prélevé dans le sol , on  observe à l'œil deux principaux composants de morphologie différente : des gros éléments de taille supérieure à 2 mm ( graviers, cailloux , cailloutis, ...) et de la terre fine, dont les éléments sont de taille < 2 mm. La terre fine regroupe  des composants fins différents que l'on classe en trois groupes selon leur taille (granulométrie) :

 
  • des argiles : particules très fines < 2 μ (microns)  qui sont principalement des minéraux argileux, des oxyhydroxydes et  en petite quantité des minéraux de quartz,  micas, et silicates autres que les micas.  Le mot argile désigne ici le type de granulométrie et non un composant minéral
  • des limons : particules de diamètre compris entre 2 et 50 μ (microns) qui sont principalement des minéraux de quartz, micas, silicates autres que les micas et en faible quantité des argiles et des oxyhydroxydes.
  • des sables: particules de diamètre compris entre 50 et 2000 μ (microns) ou 2 mm qui sont principalement des minéraux de quartz, micas, silicates autres que les micas et des oxyhydroxydes.
 

    La proportion de particules de sables, de limons, et d'argiles composant la terre fine définit la texture du sol. On parle selon les proportions de sols argilo-sableux, de sols argilo-limoneux, ..... On remarque également, qu'il existe entre les différentes particules des espaces laissés libres appelés: des vides. On déterminera en laboratoire que ces vides  sont remplis par des gaz, de l'eau et des molécules variées.

Minervois - Agrégats, cailloutis, sables et argiles - © M.CRIVELLARO

Minervois - Agrégats, cailloutis, sables et argiles.

Analyse d'un échantillon de terre fine en laboratoire

Décantation d'un échantillon de terre fine dans de l'eau limpide.

   Eprouvette de décantation

   
    Plongée  dans de l'eau limpide,  un échantillon de terre prélevé dans le sol, laisse apparaître après un temps de décantation, des dépôts superposés les uns sur les autres. De bas en haut, on trouve: des sables grossiers, des sables fins, puis des limons, et au dessus l'eau de décantation, qui s'est troublée. Enfin en surface flotte des débris végétaux.

   A l'analyse, on constate que l'eau devenue trouble,  s'est enrichie en molécules organiques issues de l'humus (substances humiques) et de molécules minérales, (les argiles). Ces molécules forment des particules très fines de l'ordre du micron, qui restent en suspension dans l'eau.

   Dispersées et non dissoutes, ces particules apportent le trouble, elles sont appelées des colloïdes argilo humiques. Elles ont pour caractéristique de porter des charges électriques négatives et de pouvoir attirer les éléments à charges positives présents dan la solution du sol (hydrogène, calcium, sodium, potassium, ammonium et oligo-éléments).

  Par expérience, on peut observer qu' présence de calcium chargé positivement (Ca²+) , les colloïdes argilo humiques formés de substances humiques et d'argiles chargées négativement peuvent s'agglomérer, coaguler sous forme de flocons, on dit floculer. Cet assemblage d'éléments  composent ainsi, ce qu'on appelle le complexe argilo-humique* (CAH) observable sous forme d'agrégats de terre fine.

Complexe argilo-humique* (CAH) :association en agrégats des minéraux argileux et de matières organiques (substances humiques)  formant l'humus. La liaison est assurée par un ou plusieurs cations de calcium(Ca²+),  de potassium (K+), d'ammonium (NH4+), de sodium (Na+), de magnésium (Mg2+), ...

 

 Agrégation des particules élémentaires, formation des agrégats et stabilité des agrégats
    Le  premier facteur de l'agrégation des constituants élémentaires des sols (agrégats de toutes tailles) réside dans les interactions organo-minérales qui permettent l'association des particules argileuses, des composés humiques, d'oxyhydroxydes ou même de bactéries par l'intermédiaire de forces électrostatiques. Ces interactions permettent la constitution et la stabilité des agrégats.

Force des interaction et stabilité des agrégats
    Plus la quantité de charges par unité de surface est grande, plus l'association entre les particules peut-être stable. Les  charges électriques portées par les constituants des sols leur permettent de s'associer soit directement, soit par l'intermédiaire des cations existant dans la solution du sol.
   Les cations les plus efficaces pour permettre la floculation et la liaison sont les cations :  H+, Fe³+, et Ca²+. La liaison établit avec le sodium Na+ est à l'origine d'agrégats très fragiles.

Fertilité du sol et complexe argilo-humique

    Du complexe argilo-humique (CAH) dépend la fertilité du sol. Il a un pouvoir adsorbant, il a possibilité de retenir et de redonner des éléments nutritifs qui servent à la croissance des plantes.
    Il retient une partie des cations chargés positivement: cations de calcium(Ca²+),  de potassium (K+), d'ammonium (NH4+), de sodium (Na+), de magnésium (Mg2+), ...,  présents dans la solution du sol.
   
    En assurant son équilibre électrostatique entre charges électriques positives et négatives, le complexe argilo-humique évite que ces cations soient lessivés par l'eau de pluie et entraînés dans les couches profondes du sol et les nappes phréatiques. Il sert de réserve, de grenier à nutriments.
    Les cations en surplus dans la solution du sol sont absorbés par le système racinaire des plantes. Lorsque la solution du sol s'appauvrit , les plantes vont puiser leur nourriture dans leur réserve: le complexe argilo-humique.

    A savoir

  • Le sol résulte de l’union de la matière minérale (les argiles provenant de la roche mère) et de la matière organique (humus provenant des débris organiques).
  • Les éléments minéraux du sol, soudés par le complexe argilo-humique, forment des agrégats entre lesquels circulent l'eau et l'air.
  • Plus le complexe argilo humique CAH est fort, plus la structure du sol est grumeleuse, ce qui augmente  la porosité du sol et la circulation d'air et d'eau, favorise la vie microbienne et le développement des végétaux.
 
 

Pour des informations plus complètes n'hésiter pas à consulter le livre: Regards sur le sol - Alain Ruellan, Mireille Dosso - Editions Foucher en vente sur Fnac.com et Eyrolles.com.

 

 Bibliographie
 

 

Quelques sites internet

  • http://unt.unice.fr/uoh/degsol/index.php
  • http://alain.ruellan.pagesperso-orange.fr/MyWebsite/page3/page3.html
  • http://www.afes.fr/cours.php
 

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