Caractérisation des systèmes sols-plantes dans les collines de l`arc

BA
SE Biotechnol. Agron. Soc. Environ.201519(2),204-214 Le Point sur :
Caractérisationdessystèmessols-plantesdanslescollines
del’arccuprifèreduKatanga(synthèsebibliographique)
DonatoKayaMuyumba(1,2),AmandineLiénard(1),GrégoryMahy(3),MichelNgongo
Luhembwe(2),GillesColinet(1)
(1)UniversitédeLiège-GemblouxAgro-BioTech.DépartementBIOSystemEngineering(BIOSE).ÉchangesEau-Sol-Plante.
PassagedesDéportés,2.B-5030Gembloux(Belgique).E-mail:[email protected]
(2)UniversitédeLubumbashi.FacultédesSciencesAgronomiques.Lubumbashi(RépubliqueDémocratiqueduCongo).
(3)UniversitédeLiège-GemblouxAgro-BioTech.DépartementBIOSystemEngineering(BIOSE).UnitéBiodiversitéet
Paysage.PassagedesDéportés,2.B-5030Gembloux(Belgique).
Reçule11mars2014,acceptéle9janvier2015.
Introduction.L’arccuprifèreduKatangaregorged’importantesréservesencuivreetencobaltdanssonsous-sol.Enplus
decetteressource,s’ajouteunediversitévégétalespéciqueauxsolsdesafeurementsmétallifères.Lefonctionnementdes
écosystèmescupro-cobaltifèresestétudiédanslecadredel’élaborationetlamiseenœuvredeprogrammesdeconservation
delabiodiversitépréalablesàl’exploitationminièredescollines.
Littérature.Cetteétudefaitunétatdesconnaissancessurlessolsdel’arccuprifèreduKatangaetproposedespistesde
recherchespouvantcontribueràlaconnaissancedufonctionnementdecemilieuauxconditionsédaphiquesinhabituelles.Sont
principalementciblés,lefondsgéochimiqueetlabiodisponibilitédeséléments.
Conclusions.Mêmesilesétudesactuellesontpermisd’importantsprogrèsdanslaconnaissancedesrelationsentrepropriétés
dessolsetdistributiondansl’espacedescommunautésvégétales,lamobilitéducuivreetducobaltdanscessystèmesn’est
pasencorecomplètementcomprise.
Mots-clés.Cuivre,cobalt,disponibiliténutriments(sol),ore,RépubliqueDémocratiqueduCongo.
Characterization of soil-plant systems in the hills of the copper belt in Katanga. A review
Introduction. The Copper belt of Katanga presents huge resources of Cu and Co-ore. On the copper hills of the area,
mineralizedrockoutcropsandaspecicorahavedevelopedasaresponsetothehighlevelsofCuandCointhesoil.
Soil-vegetationrelationshipsneedtobeunderstoodinordertodevelopbiodiversityconservationprogramspriortoindustrial
miningofthecopperhills.
Literature. Thispaper reviews the current knowledgeregarding soilcharacterization in the copper hills of Katangaand
makesproposalsforfurtherresearchontheinuenceoftheveryspecicchemicalconditionsofcontaminatedsoilsonthe
vegetationthere.ThefocusisonthegeochemicalbackgroundandthebioavailabilityofCuandCo.Muchprogresshasbeen
maderecentlyregardingtheidenticationofsoil-vegetationrelationships.
Conclusions.Despiteadvancesinthisarea,theissueofCuandComobilitywithinsoil-plantsystemsisnotyetentirely
resolved.
Keywords.Copper,cobalt,nutrientavailability(soil),ora,DemocraticRepublicoftheCongo.
1. INTRODUCTION
Le Katanga, situé au sud-est de la République
Démocratique du Congo, dispose d’importantes
réserves en cuivre et cobalt ainsi qu’en zinc, en
uraniumouenmanganèseetsonmilieubiophysique
yaétéétudiépardenombreuxauteurs(Robert,1940;
Duvigneaud,1958;François,1973;Cailteux,1978;
Malaisseetal.,1979;Malaisseetal.,1994;François,
2006)(Figure 1).
LesprincipauxgisementsmétallifèresduKatanga
sont localisés au sein d’une vaste structure plissée
etfailléeenarcdecercles’étendantdeKolweziàla
Zambie,la«Katangan copper belt »ouarccuprifère
katangais. Ces gisements, par le jeu de l’érosion
différentielle, ont pris la forme de collines alignées

SolsdescollinescuprifèresduKatanga 205
contrastant sur les vastes surfaces pénéplanées et au
sommetdesquellesafeurentdesrochesaffectéespar
les minéralisations métallifères. Les sols développés
surlesrochesminéraliséesen héritent d’importantes
concentrations en métaux. Le Cu, par exemple,
peut atteindre des concentrations dépassant 3%
(Duvigneaud et al., 1963; Malaisse et al., 1979)
dans les sols des pelouses sur colluvions. Sur ces
solsàcontraintechimiqueforte,s’estdéveloppéeune
végétationàdominanceherbacée(«descollinestoutes
peléesàcontoursarrondis»selonDuvigneaud[1958])
tranchantsurlaforêtclairedutypeMiomboalentour.
La ore métallifère du Katanga compte plus
de 600espèces réparties dans 160sites; parmi les
espècesquilacomposent,32sontconsidéréescomme
endémiques strictes des sols riches en Cu (Faucon
et al., 2010). Organisée en groupes de végétation
(Duvigneaud et al., 1963; Malaisse et al., 1994;
Leteinturier et al., 1999), la ore du Cu se distribue
suivant un gradient de teneurs en Cu et Co le long
des versants qui diminue depuis les afeurements
minéralisés en position sommitale jusqu’aux dépôts
colluviauxdepiémont.
Ces écosystèmes uniques au monde se trouvent
aujourd’hui très menacés par l’exploitation minière
industrielle qui procède par destruction totale des
collines,desécosystèmesetdespaysages(Leteinturier
etal.,1999;Leteinturier,2002;Saadetal.,2012).En
se référant à leur statut UICN (Union Internationale
pourlaConservationdelaNature),65%desespèces
strictement endémiques sont actuellement en danger
critique,d’oùunbesoinurgentdeprotégerlesespèces
decetteore(Fauconetal.,2010;Saadetal.,2012).
Parmi les alternatives en la matière, la conservation
des espèces en dehors de leurs sites naturels est la
voiequiaété privilégiée par la Société qui exploite
le complexe Tenke-Fungurume. L’élaboration et la
miseenœuvredesplansdeconservationexigentque
lesconnaissancessurlesrelationsentresolsetplantes
auseindesécosystèmescuprifèressoientdéveloppées
(Saadetal.,2012).
La biodisponibilité des métaux dans les sols des
collinesetleurdevenirdanslessystèmessols-plantes
sontdesquestionscentralesdanslacompréhensiondu
déterminismespatialdesespèces métallicolessurles
collines cuprifères. Historiquement, de nombreuses
études ont été menées sur la tolérance des espèces
cupro-cobalticolesetleurcapacitéàaccumulerCuet/
ouCo(Reilly,1969;Bakeretal.,1983;Brooksetal.,
1987; Malaisse et al., 1999; Chipeng et al., 2010;
Fauconetal.,2012).Toutefois,ilafalluattendreplus
longtempspourquelacaractérisationdesconditions
édaphiquesdanslesquellescroissentcesespècessoit
davantage investiguée (Faucon et al., 2009; Faucon
etal.,2011;Saadetal.,2012;IlungawaIlungaetal.,
2013;Sélecketal.,2013).
Figure 1.ExtraitdelacartegéologiqueduKatangaméridional—Extract of geological map of the southern part of the
Katanga province (Robert,1956).

206 Biotechnol. Agron. Soc. Environ. 201519(2),204-214 KayaMuyumbaD.,LiénardA.,MahyG.etal.
L’objectif de cet article est de faire un bilan
des connaissances en matière de caractérisation
des systèmes sols-plantes dans les collines cupro-
cobaltifères du Katanga et d’en dégager les pistes
derechercheencorenécessairesdans uneoptique de
conservation/restaurationdesécosystèmes.
2. CONTEXTE BIOPHYSIQUE DU KATANGA
MÉRIDIONAL ET MOBILITÉ DES ÉLÉMENTS
TRACES
2.1. Cadre géologique
LagéologieduKatangaméridional,ausuddeTenke
et Fungurume, est caractérisée par des formations et
desgéostructureshéritéesdephasesdesédimentation
et d’orogenèse datant de 550 à environ 900millions
d’années(Tableau 1).Lesformationsdusuper-groupe
duKatangaseseraientdéposéesdansunlargebassin
sédimentaireeneauxpeuprofondesentrelescratonsdu
CongoauNordetduKalahariauSud(Robert,1940;
Cailteux,1990;Dewaeleetal.,2006;François,2006;
Kampunzuetal.,2009;Fayetal.,2012).L’ensemble
des dépôts katanguiens, d’origines sédimentaire et
évaporitique, a une épaisseur supérieure à 5000m.
Ceux-ci sont divisés en trois groupes, Roan, Nguba
etKundelungu,séparéspardesformationsdetillites
conglomératiques connues sous le nom de Grand et
Petit Conglomérats (Cailteux, 1990). Les formations
danslesquelleslesminéralisationssontprincipalement
trouvéesactuellementappartiennentauxtroispremiers
sous-groupes du Roan. La lithologie de ceux-ci est
dominée par une formation détritique massive ou
faiblement stratiée (Roches Argilo-Talqueuses,
RAT)d’épaisseurinconnueàlabaseetdesdolomies
sus-jacentes, tandis que les formations postérieures
présententuncaractèreterrigèneplusmarqué(shales,
shalesdolomitiques,grès,etc.).Unestraticationplus
neestdonnéeparKampunzuetal.(2009).
L’orogenèselulienne(vers-550Ma)aprovoquéun
plissementintense,desfaillesetlaformationd’unlarge
arcplissé.Lesous-groupedesMines(R-2)auraitglissé
surlesRATlorsd’unévènementdecharriageimportant
vers le nord pour acquérir cette structure en écailles
redressées telle qu’on peut l’observer actuellement.
Ladolomieauraitensuiteétépartiellementremplacée
pardelasilice.L’originedesminéralisationsenCuet
Codanslesrochesdusous-groupedesMinesn’estpas
complètementélucidée.Ilsemblequecelle-cisesoit
dérouléeenplusieursphases:
–une minéralisation syngénétique (sédimentation
synchronedeclastesminéralisésetnon-minéralisés
arrachésaucontinent)modiéelorsdeladiagenèse
desformationsduRoansousformedesulfures;
–une redistribution des métaux par dissolution dans
lesgisementsprimairesetre-précipitationdesulfures
danslesfracturesdesrocheslorsdumétamorphisme
consécutifàl’orogenèse;
–unetransformationparaltérationdessulfuresenoxy-
hydroxydes,silicatesetcarbonatesdeCu etde Co
dans la zone supercielle (<100m de profondeur)
des gisements (Dewaele et al., 2006; Kampunzu
etal.,2009;Fayetal.,2012).
Des teneurs signicativement élevées en Cu
peuvent également être trouvées dans d’autres types
de gisements, dont les gisements Zn-Pb au sein
des formations carbonatées du groupe Nguba, dont
Kipushiareprésentélesited’extractiondemineraisle
plusimportantenAfriquecentraleentre1922et1993
(Kampunzuetal.,2009).
Tableau 1.StratigraphieduKatanga(d’aprèsDewaeleetal.,2006etKampunzuetal.,2009)—Stratigraphy of the Katanga
(adapted from Dewaele et al., 2006 and Kampunzu et al., 2009).
KAROO ET KALAHARI
±560-550Ma Groupe Sous-groupe Lithologie
SUPER-GROUPE
DUKATANGA Kundelungu (Ku) Biano(Ku-3) Shalesetarkoses
Ngule(Ku-2) Shalesdolomitiques,shalessableux,grès
Gombela(Ku-1) Shalesdolomitiques,shalessableux,calcairesroses,tillite
Nguba(Ng) Bunkeya(Ng-2) Shalesdolomitiquesousiltstones
Muombe(Ng-1) Shalesdolomitiquesousableux,dolomiesoucalcaires,tillite
Roan(R) Mwashya(R-4) Shalesdolomitiques,dolomies,jaspeetrochespyroclastiques
Dipeta(R-3) Dolomiesinterstratiées,grèsargileuxetgrèsdolomitiques
Mines(R-2) Dolomies,shalesetsiltstonesdolomitiques
±880Ma RAT(R-1) Grèsargilo-dolomitiques,grèsetpélites
SOCLEKIBARIENET/OUPRE-KIBARIEN
Protérozoïque

SolsdescollinescuprifèresduKatanga 207
2.2. Géomorphologie, climat et végétation
Le Katanga a connu depuis le Crétacé trois phases
d’érosionintense,consécutivesàlasurrectiondecette
région,quiontaboutiàlaformationdetroissurfaces
pénéplanées, dont la troisième est celle de la plaine
de Lubumbashi à une altitude comprise entre 1200
et 1300m (Duvigneaud, 1958). L’individualisation
de grands ensembles de plaines (Upemba) ou de
plateauxetdemonts(Kundelungu,Biano)aunordde
Kolweziseraitdueàdeseffondrementsetrelèvements
tectoniques intervenus au milieu du quaternaire.
Néanmoins, la zone qui présente les occurrences
de minéralisation les plus fortes peut être rattachée
à la vaste pénéplaine de Lubumbashi où les reliefs
résiduelsontétéconservésenraisondeleurrésistance
àl’érosionplusimportante.
Le climat du Katanga méridional est de type
subtropicalhumideavecunesaisonhumidecomprise
entremi-novembreetdébutmarsetunesaisonsèche
demaiàseptembre.Lapluviométrieannuellemoyenne
se situe autour de 1250mm, dont la moitié tombe
durantlesmoisdedécembreàfévrier.Latempérature
moyenne annuelle est d’environ 20°C avec la plus
basseaudébutdelasaisonsèche(15-17°Cenjuillet)
et la plus élevée (22-23°C) en octobre. L’altitude
moyenneduplateauà1200mtempèrecesvariations
climatiques. Pour ce qui concerne les extrêmes de
température,celles-civarientde2°Clanuità38°C
lejour.
Selon Duvigneaud (1958), le climat du Katanga
méridional confère à la zone un caractère aride et
très ensoleillé en saison sèche et à la végétation la
nécessitédes’adapterpardescaractèresxéromorphes.
Phytogéographiquement,larégionappartientaucentre
d’endémismezambézien.Plusdelamoitiédesespècesy
sontendémiques.Lavégétationdominanteestuneforêt
claireàBrachystegia,communémentappeléeMiombo.
Divers faciès du Miombo, ainsi que des formations
detypesteppeousavane,co-existentenfonctiondes
conditions édaphiques dictées principalement par la
naturedelaroche-mère,lapositiondanslereliefetla
profondeurutiledusol(Duvigneaud,1958).
2.3. Les écosystèmes cupro-cobaltifères
Les écosystèmes cupro-cobaltifères du Katanga
consistentenplagesdevégétationbasseprésentessur
descollinesquitranchentsurlaforêtclairedepiémont.
Les collines de cuivre abritent plus de 500espèces
végétales connues, dont 44 sont considérées comme
métallicoleset32commeendémiques(Fauconetal.,
2010).
Le schéma couramment admis (Duvigneaud,
1958; Duvigneaud et al., 1963; Malaisse et al.,
1994;Leteinturieretal.,1999;Malaisseetal.,1999;
Leteinturier,2002;Saadetal.,2012)considèrequ’une
colline-typeestconstituéed’unepenteausommetde
laquelleafeurentlesrochesminéraliséesetlelongde
laquelleungradientdecontaminationenCuetenCo
d’originecolluvialecontraintlavégétation.Legradient
s’exprimepardesteneurstotalesdel’ordredeplusieurs
dizaines de milliers de mg.kg-1 de Cu et plusieurs
centainesdemg.kg-1deCodanslespartiessommitales
pourplusieurscentainesdemg.kg-1deCuetmoinsde
100mg.kg-1deCodanslespartiesbasses(Tableau 2).
Parcomparaison,lessolsdesforêtsclairesprésentent
généralementdesteneursenCuinférieuresà100mg.
kg-1(Duvigneaudetal.,1963).
La végétation s’organiserait sur cette trame
contaminée en huit communautés décrites par
Leteinturieretal.(1999):dehautenbas,unesavane
boiséesurlessolsmoyennementépaissituésenamont
des afeurements contaminés, une communauté sur
afeurements de roches non ou peu minéralisées,
une steppe enrochée à Xerophyta equisetoides, une
savanesteppiqueàLoudetia simplexetMonocymbium
ceresiiforme sur leversantcolluvial, une ceinturede
savanearbustiveàUapaca robynsiisurlessolsmoins
contaminés.Àl’intérieurdecetteséquence,troistypes
depelousespeuventapparaitre,surlesafeurements
minéralisés et les zones remaniées par les travaux
d’extraction,surlescolluvionslesplusrichesetsurles
solslespluscompacts.
Les écosystèmes cupro-cobaltifères constituent
doncdessystèmesdanslesquelsdessols,forméspar
l’altération de matériaux parentaux plus ou moins
minéralisés et des processus d’érosion/dépôt le long
d’un versant et d’un piémont de colluvionnement,
conditionnent chimiquement la sélection d’une
végétation tolérante organisée en communautés
identiablesdansl’espace,cequisupposequ’ilyait
mobilisationchimiqueettransfertphysiqueduCuetdu
Coauseindessystèmesroches-sols-plantesorganisés
selonlerelief.
2.4. L’offre du sol, facteur clé dans les relations
sols-plantes
LeCuetleCo,commelesautresélémentstraces(ET),
setrouventdanslesolsousdiversesformeschimiques
etlamobilitéd’unélémenttraduitsacapacitéàpasser
d’un compartiment où il se trouve retenu avec une
certaineénergieversunautreoùilestmoinsretenu.
Leurrépartitionentrelesdifférentesphasessolidesdu
soln’esttoutefoispasgéedansletemps(Baize,1997).
De fait, sous l’action de processus majoritairement
(bio-)chimiques (dissolution/précipitation, sorption/
désorption), des formes peu mobiles peuvent être
mobilisées (Bourrelier et al., 1998; Adriano et al.,
2004). Les teneurs mobiles sont dès lors dénies
commelepooldesélémentsquiseretrouvefacilement

208 Biotechnol. Agron. Soc. Environ. 201519(2),204-214 KayaMuyumbaD.,LiénardA.,MahyG.etal.
Tableau 2. Stratigraphie, lithologie et composition chimique des formations des sous-groupes RAT et Mines au Katanga (adapté d’après Kampunzu et al., 2009)—Stratigraphy, lithology and chemical composition of the RAT and Mines Sub-Groups in Katanga (adapted from Kampunzu et al., 2009). Sous-groupe RAT(R-1) Mines(R-2) Formation R(1à3) Kamoto(R2-1) Shalesdolomitiques(R2-2) Kambove(R-2.3) Membre RATRouge RATGrise D-Strat RSF RSC SD1a(SDB) SD1b(SDS) SD2(CMN) Lithologie Siltstones
massifs,chlori- to-dolomitiques, hématitiquesde couleurrose- lila,devenant plussableuxet irréguliersen profondeur
Siltstones massifs, chloritico- dolomitiques etgris
Dolomies plusou moins silteuseset chloriteuses
Dolomiessili- ciéesnement stratiéesà stromatolites laminaires,in- terstratiéesavec dessiltstones oudesshales dolomitiques
Dolomies massives,à stromatolites interstrati- éesavec dessiltstones dolomitiques
Shales dolomitiques Dolomite
silteuseet chloritique, dolomite grossière etshales dolomitiques ànoduleset concrétions
Alternancesde bancsdeshales noirs,riches encarboneet faiblementdo- lomitiquesetde bancsfortement dolomitiquesà stromatolites
Dolomies variées:massives blanchesàroses, nementinters- tratiféesavecdes siltsoneschlorito- dolomitiques, talqueuses, carbonatées
Épaisseur >235m 10m 1m 8-10m 20-25m 10m 80-85m 130m 190m Composition chimique N 20 19 12 14 21 27 14 38 Références Majeurs(%) UCC* PAAS* SiO230-60 17-63 25-58 31-86 15-89 0-60 3-56 6-60 66 63 Al2O36,5-16,1 2,89-16,6 0,5-14,4 0,6-5,0 0,3-7,0 0,2-16,4 0,6-16,9 0,7-16,5 15,2 18,9 FeO 0,03-3,3 0,16-2,14 0,18-2,17 0,03-8,0 0,1-3,8 0,1-3,0 0,1-2,2 0,3-6,2 5 7,22 MnO 0,0-0,28 0,01-0,33 0,01-0,14 0,01-0,17 0,01-0,24 0,01-1,04 0,01-0,78 0,01-0,23 0,08 0,11 MgO 12,0-20,8 7,8-28,4 6,7-28,7 3,3-25,6 1,8-18,0 1,1-21,9 7,5-20,6 1,1-20,2 2,2 2,2 CaO 0,2-15,7 0,03-17,8 0,06-18,4 0,1-19,8 0,2-27,3 0,1-30,9 0,05-30,2 0,04-28,3 4,2 1,3 Na2O <0,5 <0,1 <0,2 <0,5 0,1 <0,5 0,1 0,1-0,6 3,9 1,2 K2O 0,1-0,3 0,01-0,6 0,04-2,6 0,01-1,4 0,01-0,7 0,1-4,2 0,1-1,3 0,1-5,2 3,4 3,7 P2O50,05-0,19 0,10-2,0 0,05-0,34 0,07-2,29 0,05-2,29 0,05-2,29 0,05-0,36 0,05-0,50 - 0,16 Éléments traces (mg.kg-1) Cu 44-1.216 340-305000 2600-64000 5200-120000 382-210000 4330-170000 2000-58000 36-153000 25 50 Ni 13-533 5-5440 5-1790 5-8188 20-901 5-493 5-2625 5-901 20 55 Cr 38-128 5-63 5-88 5-34 5-61 5-103 5-88 5-136 35 110 Co 78-659 101-195400 82-12200 32-35000 574-32000 41-48000 25-79000 10-4556 10 23 Zn 5-72 8-334 5-85 5-83 5-373 11-273 5-60 5-142 71 85 Pb 2-147 3,8-30 2,4-19 1,8-26 4,7-40 2,2-24 4,9-10 0,7-30 - - *UCC:UpperCrustComposition;PAAS:Post-ArcheanAustralianShale;autresabréviations—other abbreviations:voirgure 2—seegure 2.