Pédogenèse (géologie)

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Amorce d'une pédogenèse sur une pierre calcaire

La pédogénèse est l'ensemble des processus (physiques, chimique et biologiques) qui, en interaction les uns avec les autres, aboutissent à la différenciation des sols.

[modifier] Facteurs de la Pédogenèse

Le russe Vassili Vassiliévich DOKOUTCHAEV peut être considéré comme le père d'une vision moderne de la pédogenèse dans la mesure ou il est le premier à affirmer, à la fin du 19ième siècle, que le sol dépend à la fois de la roche, du climat, de la morphologie, des agents biologiques et du temps.

La ROCHE. Les sols héritent directement certains caractères des roches qui leurs donnent naissance; par exemple, dans leur jeunesse au moins, ils sont calcaires sur roche calcaire et acides sur roche acide.
LE CLIMAT. En schématisant énormément on peut dire qu'il existe trois types de climats; ceux dans lesquels les sols ont tendance à s'appauvrir car ils sont traversés par d'importantes quantités de pluie; ceux dans lesquels l'eau n'est pas en quantité suffisante pour lessiver les ions qui sont libérés par l'altération si bien que ces ions s'accumulent au sein du sol et que le risque de salinisation existe si le sodium (Na) est abondant dans l'environnement; les autres sols en quelque sorte en équilibre avec le climat. Ces derniers se révèlent les meilleurs car ils sont ni trop pauvres ni trop riches en Na, Ca, etc.
LE TEMPS. Le processus de lessivage par l'eau que nous venons d'évoquer demande du temps. Il faut au moins cent mille ans pour créer un sol "lessivé" ou un "planosol" , l'un et l'autre extériorisant des phénomènes d'appauvrissement dans leurs parties supérieures. La longueur des temps pédologiques a été longtemps méconnue, faute de moyens sérieux de mesure; c'est pourquoi on trouve encore, dans certains traités, des erreurs comme celle qui prétent qu'il faut seulement mille ans pour faire un sol lessivé ou 100 000 pour faire un sol latéritique. En Afrique, l'unité de durée, en pédogenèse, est le million d'années voire la dizaine de millions d'années...
LES AGENTS BIOLOGIQUES (racines, animaux fouisseurs, champignons, bactéries, homme...). Ils agissent mécaniquement (brassage des couches du sol) et surtout chimiquement. En effet, tous les oganismes du sol respirent et fournissent du gaz carbonique (CO₂). Or, celui-ci, dissous dans l'eau, se comporte comme un acide car CO₂ + H₂O donne CO₃H₂ qui donne H+ et CO₃H- ; ce dernier ion se dissocie encore en CO₃₂-- et H+ à nouveau. Bien sûr, il s'agit d'acides faibles car la dissociation est loin d'être complète. Mais, les protons H+ sont libérés continuellement et pendant des milliers d'années si bien qu'aucun minéral ne peut leur résister totalement, pas même le quartz. En plus, le CO₂ atmosphérique, qui pénètre le sol, agit de la même façon que le CO₂ issu de la respiration.
LA TOPOGRAPHIE. L'eau qui circule sur les pentes véhicule à la fois des ions en solution et des matières en suspension. Parfois, c'est toute la couverture pédologique qui se déplace vers le bas. Avec le temps, cela provoque une différenciation des sols sur les versants.

Dans ces conditions la couverture pédologique est variée depuis les terres septentionales jusqu'à à l'équateur, en relation avec la variabilité climatique générale et avec les caprices locaux de la géologie. Cette couverture se transforme avec le temps; les sols jeunes trouvés sur des roches nouvellement portées à l'affleurement sont riches en éléments solubles (Na, K, Ca, Mg) qui disparaissent lentement en climat humide et font le plus souvent défaut sur les vieux boucliers stables de la planète. Ce dernier cas est celui de l'Afrique équatoriale et de l'Amazonie où les sols sont excessivement pauvres. Par ailleurs, les sols cultivés diffèrent des sols maintenus sous végétation forestière par toutes sortes de caratères. L'évolution se fait parfois dans le bon sens (enrichissement artificiel en Ca, P, etc.) et parfois dans le mauvais (salinisation anthropique, érosion...). Enfin, partout, il faut faire la distinction entre les sols des points hauts du relief et ceux des points bas.

[modifier] Processus de Pédogenèse

Dans le détail, une combinaison déterminée des 5 facteurs présentés ci-dessus, définit un processus donné de pédogenèse .

Par exemple, l'HYDROMORPHIE correspond au cas ou le pédoclimat du sol est excessivement humide à cause du climat et/ou de l'imperméabilité de la roche qui empêche le drainage de l'eau vers le bas. Il en résulte la saturation des pores du sol par l'eau et le blocage de la circulation de l'oxygène. Les plantes souffrent. Les micro-organismes classiquement présents dans le sol laissent la place à d'autres et parfois s'adaptent. Beaucoup cherchent de l'oxygène et sont capables de capturer celui qui est associé à l'azote (nitrates) ou au fer (oxydes de fer). Il en résulte des phénomènes de réduction qui ont d'importantes conséquences agricoles et environnementales.

Par exemple aussi, sur les flancs des volcans, donc en montagne, le climat est agressif (il pleut beaucoup) et les roches sont particulièrement altérables car divisées (cendres, lappillis...) et largement vitreuses au lieu d'être parfaitement cristallisées. Elles s'altèrent très facilement et très rapidement. Elles fournissent des tétraèdres de silice et des chaines aluminiques. Si le climat avait été chaud et sec, il y aurait eu co-précipitation et formation d'alumino-silicates, autrement dit d'argiles. Mais, en climat froid et humide, la matière organique est abondante dans les sols et elle bloque l'évolution vers les silicates. C'est l'ANDOSOLISATION. Elle se traduit par le maintien de produits mals cristallisés improprement appelés "amorphes" qui donnent aux sols, aux "Andosols" plutôt, des propriétés totalement différentes de celles de tous les autres sols du Monde (forte capacité d'échange d'anions, rétention en eau exceptionnelle, thixotropie, etc.).

Au total, les spécialistes distinguent moins de vingt processus majeurs de pédogenèse. Les principaux sont :

Anthropisation : action prépondérante de l'homme.
Ferralisation : dégradation de tous les minéraux, élimination des bases, et de la silice, concentration sur place de l'aluminium et du fer).
Silification : concentration et acumulation locale de silice.
Vertisolisation : apparition d'argiles gonflantes en forte proportion; phénomènes associés.
Calcification : maintien ou apparition de carbonates, voire de gypse en milieu sec.
Argilluvisation : apparition de sols présentant une partie médiane enrichie en argile, phénomène anciennement attribué à une redistribution verticale de l'argile mais qui est maintenant jugée accessoire.
Fersiallisation : formation d'argiles semi-riches en silice et liées au fer.
Andosolisation : voir ci-dessus.
Podzolisation : dégradation des minéraux primaires sauf le quarz, redistribution locale du fer et de l'aluminium.
Hydromorphysation : voir ci-dessus.
Tourbification : accumulation de matière organique peu évoluée sous l'effet de l'excès d'eau et souvent du froid.
Salinisation : accumulation de sels dans la solution du sol, NaCl en particulier.
Alcalinisation : Accumulation d'ions $C a + +$ sur le complexe absorbant du sol.
Sodisation : dégradation du sol par suite de l'alcalinisation.
Mélanisation : accumulation de matière organique qui fonce la couleur du sol.
Cryoturbation : remaniement du sol sous l'action du ge-dégel.

[modifier] Mécanismes fondamentaux

Les processus passés en revue mettent en jeu un faible nombre de mécanismes fondamentaux de nature physico-chimique. Ce sont en particulier :

[modifier] Les phénomènes de fragmentation

Les éléments issus des roches sont progressivement divisés ce qui accroit leur surface externe et rend plus facile leur altération chimique ultérieure. Cependant, la fragmentation n'est pas toujours purement mécanique (comme par exemple dans le cas du gel); souvent, la séparation des cristaux constituant la roche est déjà d'origine chimique, dans le cas d'un granite par exemple (intervention de l'altération des micas, thèse de Michel Robert en 1970).

[modifier] Les phénomènes de dissolution

Certains minéraux solubles ont tendance à disparaitre du sol entraînés par l'eau tandis que d'autres, moins solubles ou insolubles, s'y concentrent en valeur relative.

[modifier] Les phénomènes d'hydrolyse

Si la dissolution correspond à une mise en solution acqueuse des ions issus des minéraux, l'hydrolyse est un peu plus complexe en ce sens, qu'en plus d'ions en solution, elle fournit de nouveaux minéraux; par exemple: feldspath + eau donne argile + ions en solution.

[modifier] Les phénomènes d'oxydo-réduction

Nous avons vu plus haut que le sol pouvait être pauvre en oxygène, lorsqu'il y a un excès d'eau qu'il soit permanent ou bien intervienne seulement à certaines périodes de l'année. Certains minéraux, le fer en particulier, peuvent s'oxyder ou se réduire, ce qui correspond à l'apparition d'oxydes de différentes natures et couleurs. Des microorganismes de toutes sortes jouent dans ce phénomène un grand rôle; pour certains, l'oxydation est source d'énergie; pour d'autres, la réduction leur procure de l'oxygène...

[modifier] Les phénomènes de tranfert

Des ions peuvent être déplacés dans les sols ou même être exportés hors des sols. Parfois cela résulte d'une simple mise en solution, parfois cela s'explique par des phénomènes de complexation par des molécules organiques lorsque les ions en cause ne sont pas réputés solubles (Al+++ et Fe+++ en particulier). Des matières en suspension (argile) peuvent aussi migrer.

[modifier] Les phénomènes de précipitation

Dans les couches moyennes ou inférieures du sol, il y a souvent précipitation des éléments transférés. Les causes sont diverses (changement de pH, diminution de la quantité d'eau servant de vecteur car les couches inférieures du sol ne sont pas toujours atteintes par la pluie, etc.).

[modifier] Les néoformations

les phénomènes d'altération, de tranferts et précipitations, amènent en un même lieu des ions qui peuvent co-précipiter et donner des minéraux nouveaux. Par exemple, dans certains cas exceptionnels, en milieu très sec, le calcium issu des plagioclases d'un granite peut s'associer au gaz cabonique de l'air pour donner des inclusions de CO₃Ca, autrement dit de calcaire !

[modifier] Horizonation

Dans les secteurs situés à plat (plaines, plateaux, pentes faibles), autrement dit dans l'immense majorité des sols, on observe une stratification en couches parallèles horizontales appelées "horizons" en relation avec leur disposition. Si on accepte l'idée que le sol est la fine couche d'altération de la roche au contact de l'atmosphère et des agents biologiques de surface, et si on accepte l'idée qu'au sein même du sol, les phénomènes d'altération vont croissants de bas en haut (de la roche saine à la partie du sol la plus exposée, donc la plus transformée), cette disposition est facile à comprendre.

Sur pente, dans les sols anciens où l'évolution est suffisante pour que les phénomènes de différenciation internes soient nets, les tranferts latéraux et les glissements d'ensemble de la couche pédologique compliquent l'organisation et les horizons laissent la place à des volumes plus complexes (lentilles, biseaux...).

La mutiplicité des facteurs, des procesus et des mécanismes sous-jacents explique la très grande variété des sols du Monde, tant dans leur couleur, que dans leur propriétés mécaniques, physiques et biologiques.

[modifier] Références

BOCKHEIM J.G., GENNADIYEV A.N., 2000. The role of soil-forming processes in the definition of taxa in Soil Taxonomy and the Word Reference Base. Geoderma, 95, pp. 53-72.

DUCHAUFOUR Ph. 2001. Introduction à la Science du Sol. Sol, végétation , environnement. Dunod, 331 p.

LEGROS J.P., 2007. Les Grands Sols du Monde. Presses Polytechniques et Universitaires de Lausanne, 575 p.