L'eau, agent d'altération des roches

Au cours de l'altération, deux types de mécanismes entrent en jeu, dont le plus souvent les effets s'additionnent :

- Les processus physiques ou mécaniques avec désagrégation des roches et enlèvement des débris par un fluide, d'où la distinction entre les érosions éoliennes, fluviatiles, glaciaires, marines... Les actions purement mécaniques produisent des fragments qui sont à l'origine des roches détritiques.

- Les processus chimiques où l'eau joue un rôle prépondérant. Il s'agit d'altération et de dissolution par les eaux plus ou moins chargées en dioxyde de carbone. Cela donne des solutions de lessivage qui sont les sources de minéraux néoformés des roches d'origine chimique.

1.1 - L'eau participe à une désagrégation mécanique des roches

1.2 - L'eau, un agent chimique d'altération

1.3 - Les facteurs contrôlant l'altération

1.4 - La formation des sols

Le fichier kmz téléchargeable ci-dessous, qui s'ouvre avec le logiciel Google Earth, permet d'envisager les différents principaux types d'altération, en différents lieux du globe.

                        Fiche d'aide simplifiée de Google Earth (version 5)

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1.1. L'eau participe à une désagrégation mécanique des roches

Les variations de température entraînent la dilatation ou la contraction des roches soumises à des variations de volumes incessants, une roche fissure puis éclate. L'eau qui pénètre dans les fissures puis gèle avec augmentation de volume ajoute son effet : les cristaux de glace s'accroissent perpendiculairement à la surface de la fente et augmente son ouverture. L'eau qui gèle dans une fissure exerce une pression de 14 g/cm². La roche finit par éclater sous l'action du gel : c'est la cryofracturation.   Ainsi, les grès et les marnes, roches gélives et utilisées comme amendement, étaient déposées en tas dans les champs en automne. On les retrouvait pulvérulentes à la fin de l'hiver ce qui facilitait leur épandage.

1.2. L'eau, un agent chimique d'altération

De par ses propriétés et son abondance relative, l'eau se trouve à la base de toutes les altérations exogènes des roches. Les molécules d'eau sont chargées électriquement et se comportent comme des dipôles. Les propriétés de l'eau vis-à-vis des minéraux s'expliquent essentiellement par cette propriété. Pure, elle se comporte comme un acide faible par les ions H⁺ libres qu'elle renferme. ( ---> Pour en savoir plus).

  Les réactions mettant en jeu la molécule d'eau sont de différents types et ont lieu essentiellement en climat humide. Les éléments solubles qui en résultent sont lessivés et les parties insolubles restent sur place, se recombinant pour former de nouveaux minéraux, principalement des argiles. Ces réactions sont :

► La dissolution

  La dissolution est d'autant plus forte que la solubilité des minéraux est élevée, les plus vulnérables étant les minéraux des roches salines (sel gemme, potasse, gypse).

Voir aussi :

♦ Microfigures de dissolution dans du gypse  (PlanetTerre - P. Thomas)

 ► Les oxydations / réductions

Les oxydations concernent surtout le fer qui passe de l'état ferreux à l'état ferrique.

Exemple pour un minéral d'olivine :  olivine     +   oxygène    ----->     oxyde ferrique   +   silice.

                                                       Fe₂SiO₄   +   1/2 O₂       ----->           Fe₂O₃         +    SiO₂

Les réductions sont plus rares : elles se déroulent dans les milieux hydromorphes (saturés d'eau de façon permanente ou périodique) et produisent en particulier du fer ferrique au fer ferreux soluble.

► L'hydratation

Il s'agit de l'incorporation de molécules d'eau à certains minéraux peu hydratés. Elle produit un gonflement du minéral et donc favorise la destruction de la roche. C'est le cas de la chloritisation ou de la transformation des ferro-magnésiens (pyroxènes, amphiboles) en serpentine, chlorite, épidote.

- Plagioclase  +  Pyroxène  +  Eau  ------------>  Amphibole (Hornblende verte)

- Plagioclase  +  Hornblende  +  Eau  ------------>  Chlorite  +  Actinote

► La décarbonatation

Elle produit la solubilisation des calcaires et des dolomies sous l'action du CO₂ dissous dans l'eau.

CaCO₃    + nbsp;   CO₂    +    H₂O     ---------->     Ca(HCO₃)2    soluble

Il en résulte des paysages particuliers, associés aux régions calcaires, c'est la cas, par exemple des reliefs karstiques.

 Voir aussi :

♦ Karst et Erosion karstique (PlanetTerre - M.Bakalowicz)

♦ Les "ponts naturels" de Minerve  (PlanetTerre - P. Thomas)

♦ Les karsts d'Espiritu Santo (PlanetTerre - O. Dequincey)

♦ Lapiaz, La Clusaz  (PlanetTerre - P. Thomas)

► L'hydrolyse

Elle est définie comme étant la destruction d'un édifice moléculaire complexe en édifices moléculaires plus simples sous l'influence de l'eau. Les hydrolyses constituent les principales réactions d'altération.

Elles peuvent être totales lorsque le minéral ekst détruit en plus petits composés possibles (hydroxydes, ions) ou partielles lorsque la dégradation est incomplète et donne directement des composés argileux.

Le bilan général d'une réaction d'hydrolyse peut s'écrire :  Minéral primaire   +   Eau   ------------>   Minéral secondaire   +  Solution de lessivage.

-----> Pour en savoir plus sur les réactions d'hydrolyse.

 Voir aussi :

♦  L'altération en boule des basaltes  (PlanetTerre - P. Thomas)

1.3. Les facteurs contrôlant l'altération

► La résistance des minéraux à l'altération

L'énergie de liaison entre les diférents atomes est variable selon les espèces concernées. Par exemple, le K⁺ est faiblement lié à l'oxygène, le Fe²⁺ et le Mg²⁺ le sont moyennement, le Si⁴⁺ établit au contraire des liaisons très fortes. On comprend donc pourquoi le quartz (tectosilicate qui ne comprend que des liaisons fortes entre le Si et l'O) résiste mieux à l'altération et, au contraire, l'olivine (qui contient les cations les moins liés (Mg²⁺ et Fe²⁺) a un réseau cristallin beaucoup fragile.

L'olivine, et les péridots en général, sont les plus fragiles et s'altèrent fréquemment en serpentine (silicate hydrat de Mg et Fe). Les pyroxènes (ex : l'augite) donne une amphibole verte, l'ouralite. Les amphiboles (ex : l'hornblende) se tranforment en minéraux fibreux dont l'amiante. La biotite prend un aspect mordoré puis donne plusieurs minéraux d'altération dont les chlorites, silicate d'Al et Mg hydraté, de couleur verte. La muscovite est moins altérable mais, par hydrolyse, donne des vermiculites ou hydromicas. Le quartz est quasi inaltérable, cependant il peut être légèrement soluble dans l'eau, surtout si elle est alcaline.

► Les facteurs externes contrôlant l'hydrolyse

Ce sont avant tout les paramètres qui permettent de définir le climat.

      - La disponibilité de l'eau. De ce fait, les réactions d'hydrolyse, par exemple, seront moindres sous climat sec.

     - La température dont la valeur régit la vitesse des réactions ainsi que la possibilité de dissolution des ions dans l'eau. Ainsi, les réactions d'hydrolyse seront intenses et rapides sous climat tropical.

      - Le pH déterminé en particulier par la présence ou non d'acides organiques.

On peut citer aussi : le temps de contact, les concentrations, le drainage, la granulométrie...

► Altération et climat

• Climat froid : L'altération mécanique par le gel joue le rôle majeur, la décomposition chimique est faible mais peut être active quand il y a une chaleur estivale.

D'autre part, il se développe un processus de chéluviation (entrainement des ions Al par des complexes organiques) qui conduit à un enrichissement du sol en silice.

• Climat tempéré : Les facteurs d'altération sont très nombreux mais leur puissance assez faible.

Le gel n'intervient que l'hiver et joue un rôle important en altitude. L'altération chimique joue un rôle important, surtout à l'intérieur du sol. En effet, on peut constater que les roches en relief et en contact avec l'atmosphère restent très peu altérées (ex : les mégalithes de toute nature que l'on trouve en Bretagne ou dans le Massif Central sont encore intacts après plusieurs millions d'années). Mais, cette forte résistance des roches à l'eau de pluie cesse si elles sont à l'état fractionné.

• Climat chaud et sec : La fragmentation mécanique est faible mais la décomposition chimique est active après les rares pluies et entraîne une forte désagrégation des roches subissant des variations importantes de température et d'humidité. Au contraire du climat tempéré, ce sont les roches à l'interface lithosphère - atmosphère qui s'altèrent le plus vite.

En domaine désertique, l'érosion est essentiellement éolienne.

 • Climat chaud et humide : La désagrégation mécanique est très faible mais la décomposition chimique devient extrèmement active. Grâce à la température constamment élevée, la présence d'ions H⁺ libres dans les eaux du sous-sol est 6 fois plus élevée que sous nos latitudes.

L'épaisseur de la zone d'altération atteint son maximum dans de telles conditions climatiques. Elle peut atteindre plus de 100 m. Les phénomènes mis en jeu sont essentiellement la ferrallitisation. On assiste alors à un départ quasi total de la silice exportée dans les eaux de lessivage avec les alcalis et accumulation, sur place, d'hydrates d'alumine ( ex : gibbsite [Al(OH)3], boehmite [Al OH]. Ces derniers peuvent se concentrer en concrétion ou constituer une cuirasse latéritique.

On peut résumer l'influence du climat sur les produits de l'altération par le schéma suivant :

Source : "Eléments de Géologie" - Ch.Pomerol - Ch.Bellair (Ed.Dunod)

1.4.  La formation des sols

Un sol est une couche d'altération recouvrant une roche. Il est formé d'une fraction minérale et de matière organique. Un sol prend naissance à partir de la roche puis il évolue sous l'influence des facteurs du milieu, essentiellement le climat et la végétation. L'originalité des sols résulte donc de l'association intime qui existe entre ses constituants minéraux et ses constituants organiques d'origine végétale et animale. 

► Qu'est-ce qu'un sol ? Le sol apparaît, s'approfondit et se différencie en strates superposées, les horizons, qui forment le profil pédologique. Sur une coupe de sol, ces horizons se distinguent essentiellement les uns des autres par des critères : - de couleur qui traduisent des variations en quantité et en nature des constituants organiques et des oxy-hydroxydes de fer. - de texture qui traduisent des variations de composition granulométrique. - de structure qui traduisent des variations de mode d'assemblage des constituants minéraux et organiques. Les principaux horizons sont les suivants : • Horizon A : horizon de surface à matière organique (débris de végétaux) • Horizons B : horizons intermédiaires apparaissant dans les sols évolués. Selon le type de formation et la composition, ils sont désignés par S, E, BT, BP... Ces horizons B sont formés par l'altération de la roche sous-jacente et par les mouvements de matières depuis A. • Horizon C : roche peu altérée.

La fraction minérale du sol :  La destruction des roches se fait, on l'a vu, par : • désagrégation mécanique qui donne des fragments, • altération chimique qui produit : - des ions solubles (cations, acide silicique...) - des gels colloïdaux par hydratation et polymérisation des cations (Fer, Aluminium) avec la matière organique (complexolyse) et des argiles. L'ensemble constitue le complexe d'altération. Cette altération demande de l'eau et une température suffisante, son intensité est donc fonction du climat.  Outre le climat, la nature de la roche-mère intervient sur les caractères de cette fraction minérale. De même, la topographie intervient puisque qu'elle conditionne la qualité du drainage.

La fraction organique du sol :   La végétation fournit des débris végétaux qui constituent la litière (horizon A0). Sa décomposition se fait sous l'action des microorganismes et produit l'humus et les composés minéraux de l'horizon A1. Les matières organiques sont d'abord dépolymérisés et les monomères résultant peuvent suivre deux voies : - la minéralisation qui produit des composés minéraux tels que le CO2, le NH3, les nitrates, les carbonates... - l'humification qui est une repolymérisation en composés organiques amorphes qui se lient aux argiles (complexe argilo-humique). Le type d'humus produit dépend des caractères de la végétation et du climat. La vitesse d'humification est quant à elle dépendante de l'activité biologique (conditionnée par la température) : - en milieu biologiquement peu actif : décomposition lente de la litière, l'horizon A0 est épais, brun noir, fibreux et acide (mor ou terre de bruyère); - en milieu plus actif : horizon A0 moins épais et constitue un moder; - en milieu très actif : décomposition rapide, l'horizon A0 disparaît et l'humus est rapidement intégré dans la fraction minérale en complexes organo-minéraux formant un horizon A1 (mull).

 ► Comment se forme un sol ?

Il est exceptionnelle que les roches affleurent à la surface sans être transformées : certains constituants se fragmentent (voir : "La désagrégation mécanique des roches"), d'autres se dissolvent (voir : "L'eau, un agent chimique d'altération"). Cette altération conduit à la formation de minéraux secondaires. Les roches sont alors encore reconnaissables. C'est le stade de l'altération et par conséquent de la formation de l'altérite qui précède la formation du sol.

Lorsque l'altération des minéraux se poursuit, sous l'effet du climat et de l'activité biologique, le mode d'assemblage des constituants évolue. Les structures de la roche de départ ne sont plus reconnaissables : c'est à ce stade que le sol se forme (pédogenèse).

- Dossier INRA "Le sol", janvier 2009  -  Cliquer sur l'image pour l’agrandir -

En climat tempéré, lorsqu'une roche affleure, elle est donc progressivement altérée et colonisée par la végétation (végétaux inférieurs, plantes herbacées puis arbres). Il s'établit d'abord un horizon d'humus sur la roche altérée (profil à horizons A et C - sol jeune), puis un horizon de type B (profil ABC). La profondeur augmente et le profil pédologique devient de plus en plus évolué jusqu'à atteindre un état d'équilibre avec le climat et la végétation. Les matières circulent dans le sol dans le sens descendant, par infiltration des solutions, et dans le sens ascendant, par remontée capillaire et remontées biologiques (lombrics, racines...).

L'activité biologique joue un rôle très important dans cette évolution de la roche au sol :

- elle influence la composition de la solution du sol : fait varier la concentration des ions des sels dissous présents en solution au voisinage des racines, produit des composés organiques qui modifient le pouvoir de formation de complexes de la solution du sol.

- elle réorganise le sol : formation de pores de taille variable, migration des constituants minéraux et organiques.

Cette couverture pédologique évolue lentement et les sols résultent le plus souvent d'une lente évolution sur plusieurs millénaires, voire plusieurs dizaines de millénaires. En climat tempéré, il faut environ 1000 ans pour former un horizon A₁, plusieurs milliers d'années pour un horizon B et quelques heures à un homme pour détruire un sol. Le sol est par conséquent une ressource non renouvelable à l'échelle de temps d'une vie humaine.

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