Les particules minérales

Eléments de pédologie
Composition, mécanismes de
formation et fonctionnement des
sols
1. Les principaux constituants du sol
1.1 généralités
-  Un sol est une formation superficielle résultant de l’altération sur place
des roches par l’eau, l’air et les êtres vivants.
Sol = mélange en proportion variable de MO ± décomposées et MM ±
altérée (minéraux primaires et secondaires).
-  Les sols apparaissent uniquement sur les continents à la surface des
roches magmatiques ou sédimentaires (épiderme terrestre).
Définition selon Aubert & Boulaine: « Ils sont les produits 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… »
1.2 composition élémentaire d’un sol
- Les sols sont à l’interface de 3 milieux physicochimiques définis :
hydrosphère - atmosphère - biosphère.
- Les sols contiennent de l’air, de l’eau et des nutriments.
- Les sols sont un support mécanique des végétaux (racines 
rhizosphère).
- Les sols sont remarqués comme un milieu productif. La productivité
dépend du meilleur compromis entre :
a. Pour l’air : bonne aération facilite les échanges gazeux
nécessaires aux activités respiratoires (système racinaire, activité
microbienne).
b. Pour l’eau: bonne réserve en eau assure l’alimentation hydrique
des organismes vivants et les échanges ioniques (milieu de
transfert).
c. Pour les nutriments: leur présence permet le bon fonctionnement
biologique du sol.
! « en moyenne » !, un sol est composé de:
  50 % de matériel solide et 50% d’espace poral,
  l’espace poral contient 25% d’eau et 25% d’atmosphère,
  le matériel solide est composé de matières organiques et
minérales avec 45 à 48% pour les matières minérale et 5 à 2% pour
les matières organiques,
  la matière organique provient et se constitue à partir du matériel
végétal et animal à différents stades de décomposition.
Pédogenèse, quelques observations sur la base d’une séquence évolutive
 l’approfondissement (épaisseur du sol)
 l’apparition d’horizon(s) pédologique(s)
 la divergence entre un profil évolué et natif
 la « spécialisation » des
horizons pédologiques
2. Matrice minérale du sol et facteurs d’évolution
Rappel : les altérations supergènes se définissent par leur taux et leur
domaine d’extension. Elles dépendent de :
- la composition chimique des minéraux de la roche ou du sédiment
- la présence de structures internes (plans d’écoulement ou fluidal)
et/ou de fractures, …
- le taux de lixiviation au travers de la roche
- le type de végétation en surface
l’altération supergène est une somme de processus physico-chimiques contrôlée
par l’eau et la température :
a. composante physique: cryoclastie, dilatation différentielle des roches et
minéraux.
b. composante chimique: hydrolyse, lessivage acide faible (acide carbonique et
acides organiques).
l’eau (molécule) et les acides faibles produits dans l’horizon de surface
réagissent avec les minéraux primaires en les dégradant (corrosion ou dissolution).
a. sur la base de ces minéraux primaires (structure cristalline) ou à partir de leurs
éléments constitutifs (composition chimique), les minéraux secondaires
apparaissent dans le sol: oxydes et minéraux argileux, parfois sulfures, carbonates,
…
b. ses minéraux constituent la phase minérale néoformée.
Structure des silicates « primaires »
L’élément de base : le tétraèdre (SiO4)4-
Famille de silicates
Structure des silicates « secondaires »
Les éléments de base : tétraèdre (SiO4)4- + losange (AlO3 (OH)3)6-
Les minéraux primaires de la roche deviennent des particules
minérales de taille différente : sables, limons, argiles « SLA » et de
nature différente: minéraux secondaires, argiles.
Les particules minérales sont également affectées par les processus
de transfert de l’eau, au sens :
  les particules légères et fines (argiles) s’accumulent à la base du
profil pédologique ou solum.
  des accumulations préférentielles de minéraux secondaires se
localisent dans les zones chimiquement favorables à leur formation
(nodules ferro-manganiques par exemple).
Evolution des fractions minérales grossières : processus de désagrégation
Microstructure au MEB : association de cristaux de dolomie (1), de
cristaux de calcite (2) et de fibres d'argile (attapulgite) (3).
microstructure
3. Propriétés physiques des sols
Les propriétés physiques d’un sol sont essentiellement déterminées par
la nature de la roche-mère ou matériel-parent.
En second lieu, ces propriétés physiques sont contrôlées par les facteurs
climatiques (pluviosité et température), la forme du relief (présence ou
moins d’une pente) et le type de végétation (herbacée, arbustive,
arborescente ou mixte).
Les principales propriétés physiques sont :
  la texture
  la structure
  la porosité
3.1 texture d’un sol
-  La texture d’un sol = distribution pondérale des % des 3 classes
granulométriques suivantes : sables (sand), limons (silt) et argiles (clay).
- Les particules de taille > à 2 mm = éléments minéraux (fragments de
roche) et/ou éléments figurés (débris organiques peu dégradés et
visuellement identifiables).
-  Les particules de taille < à 2 mm = fraction dite « terre fine » (fine
earth).
a. Cette fraction est la fraction active vis à vis de la plante
b. fraction pour observations et mesures au laboratoire ,
(propriétés constantes du sol).
Dans la classe des particules de taille < à 2 mm, on distingue :
-  Classe texturale des sables (fraction sableuse S) = 2000-50 µm
-  Classe texturale des limons (fraction limoneuse L) = 50-2 µm
-  Classe texturale des argiles (fraction argileuse A): 2-0 µm
En détail:
- argile : 0-2 µm
-  limon fin : 2-20 µm
-  limon grossier : 20-50 µm
-  sable fin : 50-200 µm
-  sable grossier : 200-2000 µm
-  éléments grossiers plus de 2 mm avec éléments minéraux (minéral ou
fragments de roche) et éléments figurés (fragments ou débris organiques
reconnaissables).
3.2 détermination des classes texturales (triangle textural)
-  La dénomination des classes de texture commence par l’énonciation de
la classe granulométrique prédominante puis de celle qui lui succède en
%.
Exemple : la texture limono-sableuse ou limon sableux désigne une
texture où la fraction prédominante est celle des limons et contenant une
teneur non-négligeable de sables.
Les classes granulométriques d’un sol sont la distribution de la taille
des particules minérales contenues dans un sol, exprimée en %.
Déterminée au laboratoire (pipette Robinson, microgranulomètrie laser),
il est procédé à une destruction et dispersion des agrégats organominéraux.
Cette étape est réalisée avec la destruction des composés
organiques à l’aide de puissants oxydants et l’utilisation de puissants
dispersants :
-  hypochlorite de sodium (eau Javel, NaClO), eau oxygénée H2O2)
-  hexamétaphosphate de sodium, Na6(PO4)2, H2O).
Méthode d’extraction des fractions granulométriques
d’une suspension de sol
3.3 agrégation et structure d’un sol
-  la structure d’un sol est le degré et mode d’agrégation des particules
élémentaires du sol.
 taux de cimentation des particules du sol pour former une unité
secondaire : l’agrégat de sol.
La structure est l’arrangement spatial des particules minérales du sol
et leur mode de liaison par :
a. les matières organiques
b. les éléments minéraux simples ou complexes (Ca2+, Mg2+, …,
hydroxydes de fer ou d’aluminium, …)
Les principales structures sont :
  la structure particulaire
  la structure massive
  la structure fragmentaire
Remarques :
1. La structure massive concerne un horizon pédologique sans structure
ou compacté (type horizon C).
2. La structure particulaire concerne un horizon pédologique où les
particules minérales sableuses ne sont pas « agglomérées » par de
la matière organique ou des argiles (type horizon C).
3. La ou les structures fragmentaires présentent plusieurs catégories ou
types:
 
prismatique et en colonne
 
polyédrique anguleuse à sub-anguleuse
 
lamellaire ou plate
 
grenue et grumeleuse
Principales structures
Structure prismatique
Climat : Méditerranéen semi-aride
Couleurs et structures d'un sol calcimorphe (hauteur de la coupe : 120 cm)
L'horizon organo-minéral A est
rouge sombre.
L'horizon S, très argileux,
rouge. Structure anguleuse
prismatique : prismes assez
fins (2 à 5 cm de large) et
allongés (10 à 15 cm de
hauteur).
Horizon calcique mais non
calcaire.
L'horizon Bca riche en nodules
calcaires de couleur blanche.
Structure anguleuse
polyèdrique.
La roche-mère, non visible, est
une alluvion-colluvion
argileuse.
Photo, A. Ruellan dans « Regards sur le sol, 1993 »
Structure grumeleuse
Climat : méditerranéen subhumide
(Australie)
Andosol (hauteur de la coupe : 100
cm). Le sol est peu différencié
Horizon A, sombre, organo-minéral.
Structure est finement grumeleuse
Horizon C d'altération à structure
lithologique (basalte).
Photo, A. Ruellan dans « Regards sur le sol, 1993 »
Structure massive
Climat : tropical subhumide (Brésil, Rio
Grande do Sul)
Structure massive
Sol ferrallitique rouge sur basalte
(hauteur de la coupe : 150 cm)
Horizon Ap1, labouré ; structure
anguleuse grossière
Horizon Ap2, compacté par le travail
du sol ; structure massive à l'état sec,
polyédrique et grumeleuse à l'état
humide ;
Horizon Sk, rouge, argileux, structure
fine polyédrique et grumeleuse
Photo, A. Ruellan dans « Regards sur le sol, 1993 »
La structure d’un solum ou profil de sol est également défini par les 3
caractères suivants:
 
le degré de développement : il caractérise l’importance prise
par le processus d’agrégation observé; les termes utilisés sont :
peu nette, nette et très nette ou peu développée, développée et
très développée.
 
la consistance : il s’agit d’indiquer une sensation tactile de
fermeté ou de toucher (floconeux, poudreuse, …).
 
la porosité : estimation visuelle de la place de l’espace poral.
Cette estimation peut être complétée par un simple test
d’humidification ou de mouillage dans la main ou en surface du
sol.
La structure d’un sol peut-être également apprécié par la résistance
physique à l’action dégradante d’agents extérieurs, généralement
érosifs. On réalise pour cela des tests spécifiques de stabilité
structurale.
4. Matière organique du sol et mode d’incorporation
La MOS est constituée ou provient principalement de la phytomasse (99%). Elle est
essentiellement présente en surface (litière et premiers cm du sol).
Avec la fragmentation et la dégradation, la matière organique végétale colonise
progressivement la roche-mère qui elle-même se dégrade en altérite (porosité, minéraux
primaires et secondaires).
4. 1. Décomposition de la matière organique du sol (MOS)
La MO incorporée dans les sols par la chute des litières (naturel) ou le travail du sol
(agriculture) se détruit et se transforme par :
-  la réduction mécanique et physique de la phytomasse (macrofaune et flore fongique)
- la destruction « chimique » par l’activité microbienne et fongique du sol.
Bilan sur une année de la décomposition de 100 g de MOF :
pour 100g
➩ CO2 : 60-80g
➩ biomasse : 3-8g
➩ composés intermédiaires : 3-8g
(composés organiques simples et pré-humiques : polysaccharides,
polyuronides, acides organiques, etc…)
➩ composés humiques : 3-8g
Les deux voies de transformations des MOS
1. La minéralisation : décomposition aérobie/anaérobie. Le sol est émetteur de GES (CO2,
N2O, NO, CH4) et d’éléments solubles souvent recyclés (nutriments, oligoéléments).
2. L’humification : construction du « squelette organo-minéral du sol ». Organisation
physique et chimique du sol.
L’humification contribue directement à :
a. réservoir de fertilité : nutriments, oligoéléments (origine organique et minérale)
b. support physique pour la plante
c. réservoir air et eau (réserve utile, porosité).
La disparition des composés organiques dans les sols
La dégradation des matières organiques fournit de l’énergie aux organismes hétérotrophes
du sol comme la biomasse bactérienne et fongique (croissance microbienne).
Selon leur degré de résistance à la décomposition et leur nature biochimique, elles se
dégradent :
1. en composés simples, gazeux CO2, CH4, N2O, N2, …(GES vers l’atmosphère) ou composés
simples, dits « minéraux » NH4+, NO3-, PO43-, … .
Les éléments minéraux sont solubles dans l’eau et forment les nutriments du sol :
éléments minéraux lessivés ou recyclés par les organismes du sol (racines-plantes,
biomasse microbienne).
2. en composés organiques en cours de dégradation ou stables distingués en 2
compartiments :
a.  l’humus « jeune », compartiment labile actif, transitoire
b.  les substances humiques (acides humiques, acides fulviques et lignines),
compartiment stable.
4.2 Dégradation et évolution des matières organiques du sol (MOS)
a.  suivant les caractéristiques de la Matière Organique :
- les caractéristiques biochimiques
- les caractéristiques physiques des matériaux
Variabilité pour différents organes d’une même plante (colza) :
d’après Trinsoutrot, 1999
b. suivant la disponibilité de l’azote (N-NO3 et N-NH4)
2 formes pour l’azote minéral qui provient de la dégradation de l’azote organique contenu
comme le soufre dans la MOS (C/N/S = 100/10/1) :
- l’ammoniun NH4+
- Le nitrate NO3-
c. suivant l’environnement physique des résidus
- localisation dans le profil de sol (en surface, enfoui...)
- contact sol résidu (taille des particules de sol et de résidus)
- aération (rôle de la porosité du sol...)
5. Formation des sols et des horizons pédologiques
La différenciation des horizons dans un profil de sol, c'est la formation de
couches différentes les unes des autres et différentes aussi de la "rochemère" dont elles dérivent.
Les 3 mécanismes principaux sont :
1.  incorporation de la matière organique
2.  altération de la matière minérale
3.  redistribution de matières à l'intérieur du profil de sol
Structure et les propriétés du sol se développent ± progressivement sous l’action du
climat et de la végétation.
5.1 mécanisme de formation d’un sol
5.2 Classification et formation des horizons pédologiques d’un sol
La superposition dans un certain ordre (surface vers la profondeur) d’horizons
pédologiques est appelée profil pédologique ou solum (classification française).
Dans la classification proposée par Duchaufour P. (1972), un profil pédologique ou
solum est constitué de l’addition superposée de différents horizons dénommés:
horizon A, horizon B, horizon C.
L’horizon A est défini comme le lieu sous la litière végétale où la MOS se
constitue, se dégrade et se mélange ± facilement à la matière minérale (couleur du
sol).
L’horizon B se définit comme le lieu où les processus de transfert essentiellement
verticaux sont « visibles » ou mesurables (texture et observation).
Les principaux processus de transfert : l’accumulation (argiles), la précipitation
(concrétions, tâches, …).
L’horizon C est constitué par la partie supérieure du substratum géologique ±
altéré (altérite ou sommet de la roche-mère).
La limite inférieure de l’horizon C se définit comme l’épaisseur suffisante du
matériel source permettant son identification sans aucune ambiguïté.
Supposons un terrain laissé à l'abandon après l'exploitation d'une
carrière
Phase 1 : le sous-sol, formé uniquement de matières minérales est
mis à nu : c’est un lithosol
Exemple de lithosol
Photo de végétation pionnière sur un lithosol; Roche-mère : ancienne coulée basaltique
Photo, A. Ruellan dans « Regards sur le sol, 1993 »
Phase 2 : au bout de quelques années, le sol de la carrière se
couvre de végétation naturelle.
⇒  Altération mécanique et chimique poussée de la roche-mère :
apparition de minéraux primaires et secondaires dans l’altérite
(horizon C)
⇒  végétation basse herbacée puis arbustives et ensuite arborescente
⇒  accumulation de débris végétaux à la surface du sol qui se
décomposent
⇒  incorporation dans l’altérite : horizon humifère A, couleur sombre,
brunâtre, noirâtre.
=>
le profil de sol à 2 horizons A et C.
Phase 3 : le sol évolue encore longtemps, la végétation se
développe, des arbres grandissent, leur enracinement est
profond.
=> l'horizon humifère superficiel devient plus épais
=> un nouvel horizon appelé horizon d’accumulation, l’horizon B
apparaît sous l'horizon humifère et développe sur la roche-mère.
=> Le profil de sol à 3 horizons A, B et C
Nota : sous l'influence de l'eau de pluie qui s'infiltre, les particules
essentiellement minérales sont lessivées de l'horizon A. Elles sont
entraînées et redéposées pour former progressivement un niveau :
l'horizon B qui s'appelle alors horizon d'accumulation.
Merci de votre attention !