Le SOL, une interface fonctionnelle

Le SOL, une interface fonctionnelle

Nicolas Perdrialperdrial@illite.u-strasbg.fr

Plan

• Introduction

• I. PEDOGENESE• II. CONSTITUANTS du SOL• III. PROPRIETES du SOL • IV.CLASSIFICATION des SOLS

définition

SOL : (lat.) Solum : base.Produit de l’altération, du remaniement et de l’organisation des couches supérieures de la croûte terrestre sous l’action de la vie, de l’atmosphère et des échanges d’énergie qui s’y manifestent. (Aubert & Boulaine)

Il s’agit donc d’une interface complexe entre l’atmosphère et la croûte terrestre.

C’est le lieu de tous les échanges.

Quelles sont les fonctions du SOL ?

Le sol est un milieu de :

Production de biomasse végétale

et animale

Milieu tampon

protecteur de la

nappe phréatique

Production de biomasse végétale

et animale

Production de biomasse végétale

et animaleSystème épurateur

Base de la production alimentaire

Base de l’aménagement

du territoire

La capacité du sol à réaliser tout cela dépend de :

• La texture• La structure• La chimie• L’age• La localisation

Du sol

La PEDOGENESE

Définition : (gr.) pedon : sol + genèse

Ensemble des phénomènes et des processus qui a pour résultat la formation des sols à partir du matériaux initial et de la présence de matières organiques, ainsi que leur développement y compris la différenciation des horizons.

Soil Formation Factors

Type of Parent Material. Climate. Topography. Biotic Components. Time

Processus de formation des Sols

• Transformations – modifications des constituants du sol. Altération minérale, évolution de la MO.

• Translocations – mouvements vers le haut, le bas, ou latéralement des constituants du sol.

• Additions – mouvements de matériel du sol depuis des sources externes. MO des feuilles, poussières atmosphériques.

• Pertes – mouvements de matériel du sol vers l’extérieur. Transport vers les eaux souterraines, érosion du matériel de surface.

Processus de formation des Sols

Pourquoi, lorsquPourquoi, lorsqu ’’une roche une roche arrive en surface elle arrive en surface elle éévolue vers volue vers

un sol ?un sol ?

Parce qu'elle est instable.Les minéraux qui la compose ont cristalliséen profondeur dans des conditions différentes.

Série de Bowen, ordre de cristallisation des minéraux.Série de Bowen, ordre de cristallisation des minéraux.

Les minéraux du sol sont donc un mélange de minéraux de la roche mère et de minéraux de l’altération.

Les réactions chimiques de l’altération sont nombreuses.

L’hydrolyse est une réaction majeure

En présence d’eau, H+ or OH- remplace un ion dans le minéral.Comment modifier un feldspath KAlSi3O8 en argile dans ce contexte ?Essayez de former une argile 2:1 (type illite) Si3AlO10Al2(OH)2K

Essayez de former une argile 1:1 (type kaol) Al2Si2O5(OH)4

Comment lessiver toute la silice ?

biSiAl litisation(formation d’une argile 2:1, Si/Al =2)

3KAlSi 3O8 + 2H+ + 12H2O Si3AlO 10Al 2(OH)2K + 6Si(OH)4 + 2K +

Orthose Ion hydrogène

eau Illite Acide silicique

Potassium

IL Y A EN PLUS LESSIVAGE D’ IONS POTASSIUM DANS LA SOLUTION

monoSiAl litisation(formation d’une argile 1:1, Si/Al =1)

2KAlSi 3O8 + 2H+ + 9H2O 2K+ + Al 2Si2O5(OH)4 + 4Si(OH)42

Orthose Ion hydrogène

eau Ion potassium

Kaolinite

IL Y A EN PLUS LESSIVAGE DE TOUT LE POTASSIUM DANS LA SOLUTION

Acide silicique

Al litisation(disparition totale du silicium)

2KAlSi 3O8 + 8H+ + 8H2O Al (OH) 3 + 3Si(OH)4 + 2K + + 9(OH)-

Orthose Ion hydrogène

eau Gibbsite Acide silicique

Potassium

IL Y A EN PLUS LESSIVAGE DE TOUT LE POTASSIUM DANS LA SOLUTION

Ces trois réactions ont un bilan géochimique différent :Al Si Cation

Bisiallitisation : maintenu - de 50% lessivé – de100% lessivé

Monosiallitisation : maintenu 66% lessivé 100% lessivé

Allitisation : maintenu 100% lessivé 100% lessivé

2Si3AlO10Al2(OH)2K

3Al2Si2O5(OH)4

Al (OH)3

?

?

les facteurs de l’altération sont :LE CLIMAT

LE TEMPS

L’altération géochimique vue précédemment est indépendante de la MO.

Elle s’attaque aux minx primaires et créée des argiles néoformées.

Cependant la MO intervient souvent dans l’altération.

C’est le principe d’humification

Ces processus prennent place dans le système pédogénétiqueUne roche arrivant en surface se dégrade : exemple du granite

Granite sain : blocs anguleux Formation de diaclases Formation de "boules"

Chaos granitique Arène granitique

Les constituants du sol

Caractéristiques des constituants du sol

• Les argiles :- Issus de minéraux des profondeurs non en équilibre avec les conditions atmosphériques,- Minéraux finement divisés et fortement substitués par des éléments qui n’entrent pas dans la composition des minéraux de référence,- Minéraux plus mal cristallisés de petite taille et plus instables chimiquement- Néoformés à partir de produits de dissolution des autres silicates.

•ILS RETIENNENT LES CATIONS ET LES ANIONS,

•ILS JOUENT UN ROLE DETERMINANT DANS L’ALIMENTATION MINERALE DES PLANTES (Ca,Mg,K,Zn,Cu,Mn,Co..)

•LES CONSTITUANTS EUX-MEMES AINSI QUE LES CATIONS ET ANIONS RETENUS A LEUR SURFACE PEUVENT ETRE DES POLLUANTS

Propriétés physico-chimiques

•ILS RETIENNENT L’EAU

•ILS CHANGENT DE VOLUME (GONFLEMENT-RETRAIT)

•LA PRESENCE DE CONSTITUANTS ASSOCIES : CARBONATES FINS, MATIERES ORGANIQUES, OXYDES, EST EN MESURE D’ORIENTER LES PROPRIETES PHYSIQUES ET CHIMIQUES

Propriétés physiques

Les microconstituants

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La capacité d’échange est le nombre de charges équivalant aux cations hydratés (Na, Mg, Ca) absorbés par le solide, divisé par la masse du solide (mole.kg-1).

La surface spécifique est le rapport de la surface totale (surfaces externes + internes) développée par le solide, divisée par la masse du solide (m2.g-1).

PropriPropriééttéés physicos physico--chimiques chimiques

““ 3 classiques 3 classiques ””

CapacitCapacitéé dd’é’échange cationiquechange cationique

Surface spSurface spéécifiquecifique

PropriPropriééttéés de gonflements de gonflement

Le gonflement du solide représente sa capacité à sorber des molécules (eau, molécules organiques) sur toutes les surfaces accessibles (externes et internes).

Surface spécifique - microdivision

Gonflement

Illite fibreuse L2A1

Illite du Puy

Illite fibreuse L2A1

Illite du Puy

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PropriPropriééttéés s --Surface spSurface spéécifiquecifique

MicrodivisionMicrodivision

SpiS

Spi * 2

Spi * 4

V

V

V

S

S

Cas d’une particule

Exfoliation – surfaces basales

à volume, donc à masse constante,les surfaces basales sont multipliéespar 2,par 4, etc

Fracturation – surfaces latérales

les surfaces latérales sont multipliées par 2, par 4, etc …………………………

…………………………

Cas d’un agrégat

V S1 Spi * ~ 10S2Dispersion Agrégation

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PropriPropriééttééss-- CEC / SurfaceCEC / SurfaceCritCritèère de taillere de taille

2-5µ

m0,

2-2µ

m<0

,2µm

Rapport CEC / S

urface constant

2-5µm

0,2- 2 µm

<0,2µm

Mesures dans les fractions argileuses extraites du sol(plateau de Haye) Bigorre thèse (2000)

Les argiles sont primordiales dans les échanges chimiques entre le

sol et la solution.

• Leur capacité à réagir est donnée par la Capacité d’Echange Cationique (CEC).

En effet : • Dans la plupart des sols, 99% des cations est attaché aux particules

argileuses et à la MO et 1% est en solution. • Les cations du sol (Ca2+, Mg2+, K+ and Na+) maintiennent un

équilibre entre l’adsorption sur les sites chargés négativement et la solution de sol.

• Cet équilibre produit des échanges -- quand un cation se détache d’un site, un autre cation s’y attache.

• Ainsi les sites chargés négativement sont appelés “sites d’échanges cationiques”.

• Le nombre total de ces sites est la Capacité d’Echange Cationique ou CEC

Il s’agit donc : Du nombre de sites d’adsorption

cationiques par unité de sol ou De la somme des cations échangeable

adsorbable par le sol. La CEC est exprimée en milliéquivalents

(meq) par 100 g de sol sec.

Poids équivalent = molecular or atomic wt (g) valence or charges per formula

1 meq wt. de CEC a 6.02 x 10 20 sites d’adsorption

MEQ des Cations Communs Element Na+ K+ Ca++ Mg++

Valence 1 1 2 2 Eq. Wt 23/1=23 39/1=39 40/2=20 24/2 = 12

MEQ wt .023 .039 .02 .012

exercice

• En supposant que : CECmoy par % MO = 200 meq/100g

et CECmoy par % argile = 50 meq/100g

Quelle est la CEC d’un sol à 2%MO et 10% argile ?

CEC = (% OM x 200) + (% Clay x 50)200 x .02 + 50 x .1 = 4 + 5 = 9 meq/100 g

• A high CEC value (>25) is a good indicator that a soil has a high clay and/organic matter content and can hold a lot of cations.

• Soil with a low CEC value (<5) is a good indication that a soil is sandy with little or no organic matter that cannot hold many cations.

Les propriétés du sol

“On peut affirmer que l’ensemble des propriétés physiques et chimiques du sol est en liaison étroite avec la texture et la structure“

(Duchaufour)

La texture du Sol

• C’est la proportion relative en particules du sol :Sable = 2mm – 0.05mmLimon = 0.05mm – 0.002mmArgile = < 0.002mm

Elle permet d’avoir une information sur le degréd’évolution d’un sol. Et sur ses propriétéhydriques.

Et aussi de lui donner un nom

Analyse granulomètrique :

1. Tamisage à 2 mm 2. Destruction de la MO

3. Dispersion4. Tamisage à 50µm

5. Centrifugation

On peut également dissoudre CaCO3 et le doser séparementOu le garder pour connaître le calcaire actifOn peut également éliminé les oxyhydroxydes

Soil Texture

sol A sol B sol C sol DArgile (< 2 µm) g/kg 410 200 105 573Limons fins (2/20 µm) g/kg 300 250 128 282Limons grossiers (20/50 µm) g/kg 150 200 123 52Sables fins (50/200 µm) g/kg 20 40 78 38Sables grossiers (200/2000 µm) g/kg 120 310 566 55

1000 1000 1000 1000

Placer les sols dans le triangle de texture.

Les placer du moins évolué au plus évolué.

Prédire les caractéristiques de ces sols.

• Texture sableuse : sol bien aéré, facile àtravailler, pauvre en réserves d’eau, pauvre en éléments nutritifs, faible CEC.

• Texture limoneuse : l’excés de limon et l’insuffisance d’argile peuvent provoquerla formation d’une structure massive, accompagné de mauvaises propriétésphysiques. Tendance corrigé par uneteneur suffisante en humus et calcium.

• Texture argileuse : sol chimiquementriche, mais à pauvres propriétésphysiques; milieu imperméable et mal aéré, formant obstacle à la pénétrationdes racines; travail du sol difficile.

Soil Structure• Soil structure is the arrangement of soil particles into aggregates.

Granular

Platy

Blocky

(Angular)(Subangular)

Wedge

ColumnarPrismatic

Pore Space

• The voids between soil particles are called pores. These can either be filled with water or air.

• Soil texture plays a major role in total pore space as well as size of pores.

• Coarse textured soils (sandy) have larger pores, but less total pore space.

• Fine textured soils (clayey) have smaller pores, but more total pore space.

Soil Permeability

• Permeability is a measure of how fast air and water can move through a soil.

• Soil texture and soil structure both pay a role in soil permeability.

Description d’1 sol

Les horizons des Sols

• Les sols développent des couches appelées horizons.

• Ces horizons ont des caractéristiques distinctes induites par les soil processus de formation du sol.

• Les horizons majeurs sont notés O, A, E, B et C.• Chaque sol ne contient pas chaque horizon,

c’est fonction de son niveau de développement.• L’épaisseur des horizons varie selon les sols.

Horizons

Horizon O :

• accumulation de MO• Matériel dans

différent état de décomposition

• Généralement sombre

O

Horizons

Horizon A :

• Zone d’incorporationde la MO dans le sol minéral

• Forte activitébiologique

• Sombre

A

Horizons

Horizon E :• Zone d’Eluviation ou

lessivage• sableux• Minéraux solubles et MO

sortent de cet horizon• Couleur plus claire

E

Horizons

Horizon B :• Zone d’accumulation• Accumulation de matière

léssivée au dessus• génerallement argileux,

riche en humus et oxydes• Variable en couleur de

rouge et jaune à brun et gris

B

Horizons

Horizon C :• Roche-mère légèrement

altérée/érodée

C

Horizon R : Roche-mère

C

O

A

B

• Cette classif est basée sur le (ou les) processus pédogénétiques dominants.

– 12 classes de sols pour 12 processus majeurs

Classification des sols

Classe I : cryoturbation (climat arctique) & calcification (climat aride)Classe II : Cryptopodzolisation & andosolisation (montagnes humides)

Classe III : Carbonatation & mélanisation (beaucoup de MO)

Classe IV : Brunification (forêt tempérée)Classe V : Podzolisation (climat humide, forte complexolyse, bp MO, peu argiles)

Classe VI : Bioturbation (bp de Ca et MO)

Classe VII : Vertisolisation (bp de smectite, climats à saison chaude et sèche)Classe VIII : Fersiallitisation = bisiallitisation (climat méditerranéen)

Classe IX : Ferrugination

Classe X : Allitisation (climat très humides)Classe XI : Hydromorphie (saturé en eau)

Classe XII : Salinisation (région semi-aride)

Quelques solsSilt loam Loamy sand

Quelques solsGravely loam Loamy sand

Quelques solsGravely silt loam Silty clay loam

Quelques solsClay loam Sandy loam