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Sol argileux du comté d’Essex (Ontario)
La pédogenèse
• La pédogenèse (pédo – genèse = sol – naissance) est le
mode de formation et d’évolution des sols.
• Le mot sol désigne en géologie un milieu formé de matière
minérale (= roche fragmentée et altérée, minéraux), d’eau,
de gaz, de substances dissoutes, de matière organique (=
restes d’organismes morts, organismes vivants) capable de
supporter des plantes à racines.
• En génie civil, le mot sol est plutôt synonyme de dépôt de
surface, roche meuble et sédiment. Pour désigner le sol de
la géologie et de la pédogenèse on parle de sol organique.
• L’histoire d’un sol organique commence avec la roche-mère
qui forme le terrain. Nous avons déjà vu qu’on distingue le
substratum rocheux et les dépôts meubles de surface.
• Le substratum rocheux du Québec se subdivise en trois
grands ensembles : le Bouclier canadien, la plate-forme du
Saint-Laurent et les Appalaches.
• Les sédiments glaciogéniques déposés pendant la dernière
glaciation et les sédiments plus récents déposés par le vent,
l’eau et les glissements de terrain forment les dépôts de
surface du Québec.
• Si l’érosion n’emporte pas tout, la désagrégation mécanique
et l’altération chimique créent sur le substratum rocheux ou
sur les dépôts de surface une couche d’altérite.
• L’activité d’une myriade d’organismes vivants (bactéries,
lichens, champignons, vers…) transforme cette altérite en
sol en lui ajoutant des composés chimiques essentiels à la
vie des plantes à racines, des nitrates notamment.
Un sol organique (de
type podzol) formé sur
un dépôt de surface.
Un paléosol
• Un paléosol (paléo – sol = ancien – sol) est un sol développé
dans le passé qui se retrouve aujourd’hui enfoui sous une
formation plus récente.
Sol formé autrefois sur une
coulée de lave basaltique
aujourd’hui enfoui sous
une coulée de lave plus
récente.
sol
Vieille coulée
Horizons et profil d’un sol
• La circulation verticale de l’eau dans
un sol, vers le bas et aussi vers le
haut, organise celui-ci en couches
horizontales ou horizons.
• Chaque horizon se caractérise par
sa composition chimique, organique
et minéralogique, et par ses
propriétés physiques (couleur,
cohérence, compacité, proportions
de sable, de silt et d’argile…).
• Une séquence caractéristique
d’horizons qui se développe dans
des conditions données forme un
profil, comme le profil de luvisol gris
de droite.
Photo : Agriculture et Agroalimentaire Canada :
http://sis.agr.gc.ca/siscan/taxa/landscape/slc_ontario.html
• On utilise des lettres majuscules (A, B…) et des suffixes
minuscules (Ae, Bf…) pour désigner les horizons et les soushorizons.
• Les quatre principaux horizons sont, de haut en bas :
– L’horizon O (ou L – F – H), composé de matière organique
en voie de décomposition.
– L’horizon A, composé de matière organique et de
minéraux, zone de lessivage des minéraux solubles et de
certains produits d’altération (les argiles notamment) et/ou
d’accumulation de matière organique.
– L’horizon B, composé de matière organique et de
minéraux, zone d’accumulation de matière organique ou
de produits d’altération (argiles, hydroxydes de fer,
carbonates…).
– L’horizon C, la zone minérale qui assure la transition de la
roche-mère aux horizons organo-minéraux, on y reconnaît
encore la roche-mère.
Les horizons d’un brunisol
mélanique, un sol qui se
développe principalement sur
du calcaire.
Photo : Agriculture et Agroalimentaire Canada :
http://sis.agr.gc.ca/siscan/taxa/landscape/slc_ontario.html
Question
L’horizon B de ce sol est une zone
d’accumulation d’oxydes
métalliques, en particulier du fer.
Sauriez-vous le reconnaître ?
Réponse : L’oxyde de fer lui donne
une couleur rougeâtre qui ne
trompe pas.
O
A
B
La texture
• Quand on décrit les horizons d’un sol, on spécifie leur
texture, c’est-à-dire la proportion de sable, de silt et d’argile
de la matrice de l’horizon.
• Notons qu’en pédologie on utilise le mot limon de préférence
à silt.
• On détermine la texture à partir du diagramme triangulaire
de la diapositive suivante et on applique le qualificatif
approprié. Ainsi, une matrice contenant entre 7 et 27 %
d’argile, 28 à 50 % de limon et moins de 52 % de sable est
un loam (oam se prononce comme home).
28%
52%
50%
27%
7%
Triangle emprunté à : http://www.soils.org/sssagloss/figure1.html
L’humus
• Pour comprendre ce qui suit, il faut savoir qu’on divise la
chimie en :
– Chimie organique qui étudie les composés du carbone
comme les sucres, les lipides, les hydrocarbures… à
l’exclusion du CO2, de la calcite CaCO3, et de quelques
autres composés qui n’ont pas l’air de famille.
– Chimie minérale qui étudie tout le reste.
• Quand les microbes du sol se nourrissent des restes de
plantes et d’animaux morts, il en résulte des composés qui
appartiennent à la chimie minérale et d’autres à la chimie
organique.
• Par exemple, le carbone est pour l’essentiel libéré sous
forme de CO2 et une petite partie est incorporée dans de
nouvelles molécules organiques.
• On appelle humus les produits organiques de l’activité des
microbes : ce sont des matières gélatineuses brun foncé à
noir. Ces composés colorent l’eau qui traverse le sol
quand on arrose une plante en pot ; ils tachent les doigts
et les rendent collants quand on travaille le sol.
• On dit donc que la transformation de la matière organique
par les microbes procède par minéralisation (les produits
sont du CO2 et des ions NH4+, NO3-…) et par humification
(les produits formant l’humus).
• Notons que l’humus est lui-même de la matière organique
et qu’il n’échappe pas à l’activité des microbes.
+
minéralisation CO2,- NH4 ,
NO3 …
Matière
organique
humification
humus
humus
Question
Certains horizons de ce sol
contiennent de l’humus.
Lesquels ?
O
Réponse : On cherche une
couleur brun foncée. Une
partie de l’horizon organique
O en contient ainsi qu’une
partie de l’horizon B.
B
L’horizon A de ce podzol a
une couleur de cendre parce
qu’il est lessivé (l’eau
d’infiltration a tout emporté).
A
C
Photo : Université Northern British Columbia :
http://web.unbc.ca/~quarles/nres/soc/soc.htm
L’humus comme garde-manger
• Au sens granulométrique, on appelle humus les particules
organiques de moins de 0,002 mm et argile les particules
minérales de même taille.
• À cause de la petitesse de leurs particules, l’humus et
l’argile du sol ont une énorme surface spécifique. Or, il y a
dans les deux cas des charges électriques à la surface des
particules, principalement des charges -.
• Cette surface chargée attire des molécules d’eau (les
hydrogènes de la molécule sont +) et des ions +. Certains
de ces ions sont des nutriments dont les plantes à racines
ont besoin. On peut imaginer cela ainsi :
H2O
K+
On dit que la molécule d’eau et
l’ion K+ sont adsorbés à la
surface de la particule.
• Les plantes ont besoin d’azote, de
phosphore, de calcium… qui existent
sous forme d’ions dans l’eau du sol.
• Ces ions proviennent de la minéralisation
de la matière organique, de l’altération
des roches, de l’atmosphère… et du
garde-manger constitué par l’humus et
l’argile.
• Les plantes puisent ces nutriments en
absorbant l’eau qui entre en contact avec
leurs racines. Nous verrons que les
espaces entre les particules d’un sol
(interstices) forment un réservoir pour
l’eau de pluie. L’eau qui occupe ce
réservoir constitue une nappe. On peut
vérifier son niveau à un moment donné
en creusant un trou ou un canal.
L’eau dans
le sol
• Contrairement au réservoir d’une station
d’essence, le sol n’est pas sec au-dessus de la
nappe. D’abord, dans la frange capillaire, l’eau
grimpe dans le sol comme dans du papier
absorbant. Ensuite, quand il pleut, une partie de
l’eau qui s’infiltre dans le sol est retenue au
passage en descendant vers la nappe.
• Cette eau de rétention est piégée à la surface
des particules du sol par adsorption ou dans les
interstices entre les particules par capillarité
(pensez encore au papier absorbant). Comme
ces effets augmentent avec la petitesse des
eau capillaire
particules et des interstices, un sol de sable a
une plus faible rétention qu’un sol d’argile.
• Le niveau de la nappe et la quantité d’eau de
rétention vont varier selon les circonstances.
Les racines d’une plante peuvent puiser l’eau
de la nappe et de sa frange capillaire. Elles
peuvent aussi puiser l’eau capillaire de la zone
de rétention, mais pas l’eau adsorbée qui est
trop solidement liée aux particules.
eau adsorbée
Question
L’eau d’un évier monte par capillarité entre deux plaques de
plastique. Pouvez-vous dire comment on a placé les deux
plaques pour que l’eau monte plus haut à gauche qu’à droite ?
L’eau monte d’autant
plus haut que la
distance entre les
plaques est faible.
Les plaques forment
donc un coin.
plaques
eau capillaire
eau de l’évier
argile
marine
Restes du pont arraché en 1971 par la coulée
d’argile de Saint-Jean-Vianney
La sédimentation océanique
• Les fines particules d’argile sont transportées si facilement
par le vent, les cours d’eau et les courants marins qu’il s’en
dépose partout. Mais, pour que l’argile domine un dépôt, il
faut s’éloigner des sources des autres sédiments et aller au
fond des lacs et des océans.
• Loin des continents, le plancton est la seule autre source de
sédiments dans les océans. Ce sont les minuscules animaux
et végétaux qui vivent en suspension dans l’eau de mer.
• Certains des organismes du plancton ont des tests en silice
(les radiolaires et les diatomées) ou en calcite (les
foraminifères et les coccolithophores). Dans les bonnes
conditions, ces tests survivent à la dissolution lors de la mort
de l’organisme et s’accumulent sous forme de boue. (Revoir
la présentation 5 : Roches carbonatées et siliceuses.)
Voici la répartition des boues qui dominent actuellement la
sédimentation océanique loin des continents. L’argile «rouge»
est en fait souvent brune, grise ou noire.
Roches homogènes au grain très fin formées à partir des
boues de haute mer.
Craie : boue calcaire
Chert : boue siliceuse
Shale : boue argileuse
L’argile de Leda
• La déglaciation « récente » du Québec a laissé sur le
territoires divers sédiments, dont les argiles, les limons, les
sables et les graviers déposés dans les mers postglaciaires.
• Rappelons que la mer de Champlain et la mer de Laflamme
ont occupé les régions qui sont aujourd’hui les plus
densément peuplées du Québec. On trouve donc dans ces
régions des dépôts d’argile, entrelardés de sable, de limon
ou de gravier, qui font souvent 20 ou 30 m d’épaisseur et qui
atteignent 70 m en certains endroits.
• Cette argile (dite de Leda, du nom d’une moule fossile qu’on
y trouve) est faite de farine de roche arrachée au Bouclier
canadien par la glace, du quartz et des feldspaths surtout.
Cette farine contient un pourcentage variable de minéraux
proprement argileux (les minéraux de l’altération des
roches), de l’illite principalement.
La sensibilité
• Un terrain glisse quand la
sollicitation créée par son
propre poids excède sa
résistance au cisaillement.
• On mesure cette résistance en
prélevant un échantillon sur le
terrain et en trouvant quelle
force il faut exercer sur lui pour
le cisailler (le séparer en deux
par glissement, comme des
cisailles coupent une tôle).
• On dit que l’échantillon est
intact si on a tout fait pour ne
pas déranger l’argile et qu’elle
est comme dans le terrain.
• Au contraire, si on malaxe bien l’échantillon, on dit que
l’argile est remaniée.
• Quand on mesure la résistance au cisaillement d’une argile
marine intacte, on découvre qu’elle est parfois 30, 50, 300,
800… fois plus grande que sa résistance à l’état remanié.
On la dit alors sensible aux dérangements.
• Une grande sensibilité signifie en pratique qu’on peut
construire tout un village sur un épais dépôt de cette argile
et que cela va tenir tant et aussi longtemps qu’on ne
perturbera pas le dépôt.
• Le point faible des argiles marines sensibles ce sont les
cours d’eau. Elles sont faciles à éroder et les cours d’eau y
creusent de profonds ravins. Le talus ainsi créé doit tenir
par lui-même malgré que sa pente est raide et que le cours
d’eau l’use par la base. Ce talus est le lieu de nombreux
petits glissements. Chacun de ces glissements est une
perturbation qui peut déstabiliser le dépôt entier.
Glissement d’argile en 1992 le long de la rivière Maskinongé.
Demers, Leroueil et d’Astous, Can. Geotech. 36 : 1001-1014 (1999).
Question
Au département de Génie civil, on utilise plutôt le pénétromètre
à cône pour mesurer la résistance au cisaillement. Celle-ci est
liée à la profondeur de pénétration p nécessaire pour arrêter un
cône qu’on laisse tomber dans l’argile. Pourquoi fait-on l’essai
sur l’échantillon remanié avec un cône plus léger et plus large
que celui utilisé pour l’échantillon intact ?
Réponse : Comme l’échantillon
résiste moins, le cône plus
lourd et plus étroit risquerait de
le traverser sans s’arrêter.
p
argile
Floculation et lessivage
• Pour comprendre la sensibilité, il faut
salée
douce
étudier comment une minuscule
plaquette d’argile en suspension dans
l’eau d’un lac ou d’une mer se dépose
au fond.
• Le processus est si lent en eau douce
qu’on ajoute des sels aux eaux usées
des usines d’épuration pour l’accélérer.
En effet, dans l’eau salée les plaquettes
d’argile collent les unes aux autres et
forment des flocons (processus de
floculation). Comme un flocon est
beaucoup plus lourd qu’une plaquette, il Sédimentation d’une
se dépose plus rapidement au fond
suspension d’argile
comme le montre la photo ci-contre.
• Cette différence de comportement est une conséquence
du fait que les plaquettes portent une charge – de surface.
Dans l’eau douce, elles se repoussent et restent trop loin
pour coller les unes aux autres. Cette répulsion disparaît
dans l’eau salée parce que chaque plaquette s’entoure
d’ions + et cache ainsi sa charge – à ses voisines.
• Dans les conditions particulières de sédimentation des
mers postglaciaires (qu’on retrouve aujourd’hui dans les
estuaires), les plaquettes d’argile ont formé des flocons en
«château de cartes» qui piègent beaucoup d’eau salée.
plaquette
Argile solide
gorgée d’eau
eau salée
• Depuis que les argiles ne sont plus dans la mer, l’eau salée
piégée dans l’argile s’adoucit au contact de l’eau souterraine
qui circule dans les dépôts grâce aux couches de sable et de
gravier.
• Ce lessivage des ions fait en sorte que si on détruit la
structure en «château de cartes», en remaniant l’argile par
exemple, elle ne peut pas se reformer. L’eau qui était piégée
dans le «château de cartes» et les plaquettes d’argile forment
une espèce de soupe, et le dépôt d’argile se comporte alors
comme un liquide.
plaquette
Argile liquide
eau douce
Rétrogression et coulée
• Quand un pan d’argile se détache en bordure d’un cours d’eau,
cela peut déstabiliser le pan suivant qui va glisser à son tour.
L’effondrement initial risque alors de déclencher une réaction
en chaîne où des pans successifs d’argile se détachent en
s’éloignant du cours d’eau. On qualifie un tel déplacement de
rétrogression (de recul).
• Un glissement rétrogressif peut laisser derrière lui des pans
de terrain relativement intacts. On ne parle de coulée
d’argile que si le glissement rétrogressif s’accompagne
d’une liquéfaction de l’argile. Le terrain s’écoule alors dans
le cours d’eau en laissant un trou béant sur le bord de
celui-ci.
• Pour fixer les idées, disons que la rétrogression s’étend
parfois jusqu’à plus de 1 km du cours d’eau, qu’on a
observé des vitesses de rétrogression de 5 m/s et plus, et
qu’à Saint-Jean-Vianney l’argile liquide descendait la vallée
étroite de la rivière aux Vases à environ 25 km/h.
Petit glissement rétrogressif le
long de la rivière Maskinongé.
Les flèches pointent le dernier
pan qui a glissé.
Demers, Leroueil et d’Astous, Can.
Geotech. 36 : 1001-1014 (1999).
La coulée d’argile de Saint-Jean-Vianney dans la région de
Shipshaw et Chicoutimi.
Source : Site de Jonathan Fradet : http://membres.lycos.fr/shipshaw/vianney/photo.html