Erosion & Altération(Erodere : ronger) (Alter : autre)

Plan du cours

I. Présentation générale

II. Les processus d’érosion

III. Les processus d’altération

IV. Le sol

V. Place de l’altération dans les cycles géochimiques

Présentation généraleLes matériaux de surface sont manifestement transfo rmésMais quels sont les facteurs mis en jeu ?

Piton de la Fournaise aout 2004,

quelques semaines après l’éruption

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Saint-Thibéry années 2000,

quelques milliers d’années après l’éruption

Quel est le facteur ici ? Le TEMPS

Les monts d’arrée formés il y a 330 Ma

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Les Alpes en formation depuis 28Ma

Quel est le facteur ici ?

Le TEMPS et/ou la TECTONIQUE

Les matériaux de surface sont manifestement transformés

Rochechouart 200 Ma

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Manicouagan (canada) 200 Ma

Quel est le facteur ici ?

Le CLIMAT, la POSITION GEOGRAPHIQ

La terre

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La Lune

Quel est le facteur ici ?

La VEGETATION donc l’ EAU

Les facteurs de la transformation des roches sont donc nombreuxnombreux , complexescomplexes et souvent

interconnectinterconnect ééss

Il s’agit de :

• Le temps• Le climat• La tectonique• La végétation• La présence d’eau

Mais ces facteurs sont du deuxième degré

Quelles sont les interconnections possibles permettant de déterminer les deux facteurs

majeurs au premier degré ?

Ces facteurs sont :

LE TEMPSEt

L’EAU

La roche mère est modifié en surface

Comment agissent ces facteurs

Lorsque l’on analyse les eaux de pluie, des rivières et de la mer, on observe qu’elles ne

sont pas pures

•physiquement : chargée en MES

et

• chimiquement : il n’y a pas que H et O

Pluies : Physiquement

Figure 4.55. Images en MET de particules argileuses. a), b), c), d) : argiles automorphes

de types illite et kaolinite ; e) : agrégat naturel d’argiles automorphes de types illite et

kaolinite f) : phyllosilicate de type biotite. Toutes les barres d’échelle sont longues de

1µm.

Figure 4.55. Images en MET de particules argileuses. a), b), c), d) : argiles automorphes

de types illite et kaolinite ; e) : agrégat naturel d’argiles automorphes de types illite et

kaolinite f) : phyllosilicate de type biotite. Toutes les barres d’échelle sont longues de

1µm.

Figure 4.63. Images en MET de sels des retombées atmosphériques à Breuil. Longueur

des barres d’échelle : 1µm.

Figure 4.63. Images en MET de sels des retombées atmosphériques à Breuil. Longueur

des barres d’échelle : 1µm.

Pluies : Chimiquement

D’où viennent les concentration élevées en Na, Cl ?

rain water (TDS = 7.1 mg.l-1)

0

1

2

3

4

Na+ K+ Mg2+ Ca2+ Cl- HCO3- SO42- SiO2

conc

entr

atio

n (m

g.l-

1)

Turbidité et analyses en DRX montrent la présence d’éléments solides dans les rivières : la matière en suspension. D’où vient-elle ?

Rivières : Physiquement

Rivières : Chimiquement

river water (TDS = 118.2 mg.l-1)

0

10

20

30

40

50

60

Na+ K+ Mg2+ Ca2+ Cl- HCO3- SO42- SiO2

con

cent

ratio

n (

mg

.l-1)

D’où viennent les concentration élevées en Ca, HCO3, S i ?

Mers : Physiquement

Mers : Chimiquement

D’où viennent les concentration élevées en Na, Cl ?

seawater (TDS = 34400 mg.l-1)

0

5000

10000

15000

20000

Na+ K+ Mg2+ Ca2+ Cl- HCO3- SO42- SiO2

conc

entr

atio

n (m

g.l-1

)

Mers et pluies sont enrichies en Na et ClLa charge en éléments augmente de la pluie vers la mer

� lien avec le cycle de l’eau

Mais pluie et eaux de rivière n’ont pas la même composition.Les eaux de rivières ne sont pas des eaux de pluies concentrés

car les éléments sont différents� Pluies : Na et Cl

�Rivières : Ca et HCO3

L’eau des rivières interagie avec le lit de la rivière, il y a réaction chimique entre l’eau et la roche.

� Ce sont les processus d’érosion et d’altération

• Pourquoi l’eau de mer est-elle salée ?

Cadre des processus d’érosion et altération

On distingue deux types de processus modifiant les roches au contact de l’air et de

l’eau.

L’EROSIONPhénomène physique

L’ALTERATIONPhénomène chimique

Les processus d’érosion et altération tiennent place dans le cadre de la

pédogenèse

Définition : Processus amenant à la formation des sols à partir d’une roche-mère.

(Pedon (gr.) : sol + genesis : création)

Pourquoi ?Parce qu’en surface une roche n’est pas stable.

Ces processus prennent place dans le système pédogénétiqueUne roche arrivant en surface se dégrade : exemple du granite

Granite sain : blocs anguleux Formation de diaclases Formation de "boules"

Chaos granitique + Arène granitique

Quels sont les mécanismes de l’érosion et les mécanismes de l’altération dans la formation d’un sol granitique ?Comment passe-t-on de

ça

à ça

Granite sain : blocs anguleux Formation de diaclases Formation de "boules"

Chaos granitique + Arène granitique

φ χ

φ φ&χ

L’EROSION

Définition :

Processus physiques ou mécaniques avec désagrégation des roches et enlèvement des débris par un fluide.Source : Foucault & Raoult (dico de géol)

L’érosion est la désintégration des roches et des minéraux par un processus physique ou mécanique.Source : Stephen A. Nelson (Tulane University)

Idée de sédimentation.

Les mécanismes de l’érosion

• L’action de la température : thermoclastie – L’action du froid : gélifraction ou cryoclastie

• La depréssurisation : exfoliation• L’action des courants : abrasion• L’action de la salinité : précipitation• L’action des organismes : érosion biologique

Thermoclastie

Les variations de température sont la cause de dilatation et contraction différentielle des minéraux. Il en résulte une désagrégation granulaire : la thermoclastie.Dans le désert, l’amplitude des variations de température journalière peut atteindre 50°C.Il y détachement d’une croute : desquamation ou exfoliation.

L’action du froid – cryoclastiec’est un cas particulier de la thermoclastie

L’eau quand elle gèle augmente son volume de 9%A volume constant la pression de la glace atteint 14 kg/m²

http://www.calstatela.edu/faculty/acolvil/weathering/frost_wedging.jpg

http://www.utexas.edu/

À l’échelle de l’échantillon

À l’échelle de l’affleurement

La dépressurisation - exfoliationLe retrait des roches sus-jacentes cause l’extension des roches sous jacentes. Celles-ci se fracturent du fait de la baisse de pression. Les fractures (sheet joints) se développent parallèlement à la surface de la roche qui àtendance à peler (décollement des feuilles), produisant localement des dômes d’exfoliation.

Photo : Bradley, William C. Yosemite National Park, Iowa Univ.Enchanted Rock State National Area, Texas, USA. Photo : Greg Hewgill.

Photo : Andrew AldenEnchanted Rock State National Area, Texas, USA. Photograph: Robert M. Reed

L’action des courants (flux) - abrasion

Par courants ou flux je comprends :

• Les flux d’eau liquide (ruisseaux, rivières, vagues…)• Les flux d’eau solide (glace)• Les flux d’air (vents)

Les particules transportées par l’eau, la glace, et l’air peuvent être efficace pour user les roches.

Abrasion : Erosion causée par le frottement des matériaux transportés par les eaux ou les glaces. Source : Foucault & Raoult (dico de géol)

L’abrasion par les flux d’eauPlus l’énergie du cours d’eau et forte plus son potentiel abrasif est fort

L’abrasion par les flux d’eau

Source : thèse M. ATTAL (Grenoble)

Source : Smith et al, 2002

Source : Carter & Anderson, 2006

L’abrasion par les glaciers

Socle

Glace polissant le socle

Surface rugueuseProduction de fragments de roche

Mouvement de la glace

L’abrasion éolienne

Source : Smith et al, 2002

L’haloclastie

Du gr. Halos : sel et klastos : brisé.Fragmentation d’une roche sous l’effet de la pression de cristallisation de sels dans ses fissures ou ses cavités.

L’érosion biologiqueCe n’est pas toujours que physique notamment pour les bactéries

Tous ces processus sont dominé par des forces

physiques.

Cependant ils sont toujours (ou presque) accompagnés de phénomèmes chimiques.

Les principales réactions de l’altération

• L’acteur majeur de l’altération est l’eau car elle transporte les réactifs (acidité).

• L’eau, sur terre, est présente dans tous les compartiments de surface: pluies, rivières, sols.

• Selon la chimie de cette solution et la lithologie de la RM les réactions sont diverses.

Les processus d’altération

•L’hydrolyse (silicates)•L’oxydation et la réduction (minéraux avec cations métalliques)•L’hydratation & la déhydratation (diverses)•La dissolution (carbonates, sels)

• L’acide principal dans les eaux de pluie est l’acide carbonique H2CO3.

• Il résulte de la réaction entre l’eau H2O et le CO2 gazeux de l’atmosphère suivant :

H2O + CO2 H2CO3 H+ + HCO3-

eau Dioxyde de carbone

Acide carbonique

Ion hydrogène

Ion bicarbonate

H+ est un petit ion qui peut facilement entrer dans la structure des minéraux, libérant les

autres ions dans l’eau.

L’hydrolyse

H+ or OH- remplace un ion dans le minéral

Le système cristallin est modifié voire détruit.

Dans le cas d’olivine ou pyroxène il est détruitDans le cas des feldspath il est modifié

H+ or OH- remplace un ion dans le minéral

biSiAl litisation(formation d’une argile 2:1, Si/Al =2)

3KAlSi 3O8 + 2H+ + 12H2O Si3AlO 10Al 2(OH)2K + 6Si(OH)4 + 2K +

L’Hydrolyse exemple du feldspath

Orthose Ion hydrogène

eau Illite Acide silicique

Potassium

IL Y A EN PLUS LESSIVAGE D’ IONS POTASSSIUM DANS LA SOLUTION

L’Hydrolyse exemple du feldspath

H+ or OH- remplace un ion dans le minéralmonoSiAl litisation

(formation d’une argile 1:1, Si/Al =1)2KAlSi 3O8 + 2H+ + 9H2O 2K+ + Al 2Si2O5(OH)4 + 4Si(OH)42

Orthose Ion hydrogène

eau Ion potassium

Kaolinite

IL Y A EN PLUS LESSIVAGE DE TOUT LE POTASSSIUM DANS LA SOLUTION

Acide silicique

H+ or OH- remplace un ion dans le minéral

Al litisation(disparition totale du silicium)

2KAlSi 3O8 + 8H+ + 8H2O Al (OH) 3 + 3Si(OH)4 + 2K + + 9(OH)-

L’Hydrolyse exemple du feldspath

Orthose Ion hydrogène

eau Gibbsite Acide silicique

Potassium

IL Y A EN PLUS LESSIVAGE DE TOUT LE POTASSSIUM DANS LA SOLUTION

Ces trois réactions ont un bilan géochimique différent :

Al Si CationBisiallitisation : maintenu - de 50% lessivé – de100% lessivé

Monosiallitisation : maintenu 66% lessivé 100% lessivé

Allitisation : maintenu 100% lessivé 100% lessivé

Oxydationexemple du pyroxène

O2 peut réagir avec les minéraux et modifier leur état d’oxydation :

3Fe2+SiO3 + ½O2 Fe3O4 + 3SiO2

PyroxèneQuartz

Oxygène Magnétite

Déshydratationexemple de la goethite

Il y a suppression d’un ion H2O ou OH- d’un minéral :

2FeO.OH Fe2O3 + H2OGoethite Hématite Eau

Dissolutionexemple de la calcite

Dépend des réactions acide/base il y a mise en solution complète

CaCO3 + H2O + CO2 Ca2+ + 2HCO3-

CalciteBicarbonate

eau CalciumDioxyde de Carbone

L’acidolyse

• En dessous de pH = 5, l’aluminium devient soluble.

• Pour atteindre un tel pH, il y a intervention de la MO

KAlSi3O8 Si(OH)4 + K+ + Al3+

Résumé/complément

• L’érosion est un processus physique qui agit sur les roches en les fracturant et donc en les divisant.

Ses modes d’action sont diverses :- Via l’eau- Via l’air- Via la vie

• L’altération est un processus chimique qui peut se traduire par :

Minéral primaire + eau/air =Minéral secondaire (+ oxydes) + solution.

Les minéraux secondaires sont principalement des phyllosilicates et essentiellement des argiles.

En détails

Albite (tectosilicate) NaAlSi3O8 Smectite (phyllosilicate 2:1) Nax[Si8]Al3.2Fe0.2Mg0.6O20(OH)4

http://virtual-museum.soils.wisc.edu/

Kaolinite (phyllosilisate 1:1) Al2Si2O5(OH)4 Gibbsite (hydroxyde) Al(OH)3

Biotite

vermiculite

2Si3AlO10Al2(OH)2K

3Al2Si2O5(OH)4

Al (OH)3

?

?

L’altération géochimique vue précédemment est indépendante de la MO.

Elle s’attaque aux minx primaires et créée des argiles néoformées.

Cependant la MO intervient souvent dans l’altération.

C’est le principe d’humification

La balance Géochimique de l’altération

Minx primaires � Minx primaires + minxsecondaires + oxy-hydroxydes + solution.

Il y a • perte de masse lors de l’altération• Conservation des minx primaires résistant

Par exemple

Matériel parent=

Élément altérables+

Éléments non altérables(par ex. le zircon)

[Zr] = 100 ppm

Sol formé

[Zr] = 200 ppm

enrichissement

Altération

(dissolution & lessivage)

La moitié de la masse est perdue mais par le zirconium

Zr

Quelques équations pour comprendre

Roche-mèreDensité : ρr

Zirconium présent = [Zr]r Sol

Densité : ρsZirconium présent = [Zr]s

hr

hs

Masse de RM = masse de sol + masse perdue par lessivage (δ)ρrhr = ρshs + δ

Masse de Zr dans RM = Masse de Zr dans sol[Zr]r ρrhr = [Zr]s ρshs

En combinant les deux équations quelle est la masse perdue δ en fonction de ce que l’on peut mesurer soit la masse de sol ?

δ = (([Zr]s / [Zr]r) – 1) ρshs

ON PEUT DONC CONNAÎTRE LA MASSE DE RM PERDUE PAR L’ALTERATION EN ANALYSANT LES CONCENTRATION EN INSOLUBLES

Pour un élément soluble

Roche-mèreDensité : ρr

Zirconium présent = [Zr]r

Élément j présent =Cjr

SolDensité : ρsZirconium présent = [Zr]sÉlément j présent =Cjs

hr

hs

Masse de j dans RM = masse de j dans sol + masse perdue par lessivage (δj)Cjr ρrhr = Cjs ρshs + δj

Masse de Zr dans RM = Masse de Zr dans sol[Zr]r ρrhr = [Zr]s ρshs

En combinant les deux équations quelle est la masse perdue δj en fonction de ce que l’on peut mesurer ?

δj = (Cjr([Zr]s / [Zr]r) – Cjs) ρshs

ON PEUT DONC CONNAÎTRE LA MASSE d’ELEMENT PERDU PAR L’ALTERATION EN ANALYSANT LES CONCENTRATION EN INSOLUBLES

Le taux d’altération est contrôlé par :

• La surface (de la particule qui s’altère)• La lithologie de la roche-mère • Le climat• La présence de végétation• La topographie

Sur lequel ou lesquels de ces paramètres agit l’érosion ?

Essentiellement la surface en augmentant la surface réactive des matériaux sujet à l’altération.

Lithologie de la roche-mère

1

10

100

Rôle de la lithologie sur les taux d'altération chimique

Les différentes roches ne réagissent avec la même « efficacité » aux processus d’altération chimique

POURQUOI ?

Série de Bowen, ordre de cristallisation des minéraux.

Pyroxèneinosilicate

OlivineNésosilicate

Feldspathtectosilicate

Roches ACIDES

Roches ignéesEquiv. Métam

Schaetzl & Anderson

Roches BASIQUES

Roches ignéesEquiv. Métam

Schaetzl & Anderson

Le climat – ou paramètres thermodynamiques du milieu

Température et pluviomètrie sont des acteurs majeurs de l’altération.

La température comme catalyseur des réactions

L’eau comme réactif

De ce fait, toutes les réactions vues précédemment n’ont pas toujours lieu

Le climat joue sur l’altération

Le climat joue sur l’altérationon le voit sur les sols.

Compartimentation pédologique du globe terrestre

25% des régions du globe n’ont pas de sol : déserts et montagnes.

Séquence latitudinale d’origine bioclimatique (d’après G. Pédro)

Pôle nord équateur

Pluviométrie annuelle (mm)

Température moyenne

bisiallitisation monosiallitisation allitisationC

eint

ure

pola

ire

(podzolisation)

Zone boréale Zone tropicaleZone tempérée Ceinture désertique

Taïga Feuillus Steppe savane Forêt tropicale

0

40

30

20

10 500

1000

2000

1500

2500

substratum

Roche en voie de décomposition

Argiles 2:1

Kaolinite

Gibbsite - kaol Épaisseur de la couche d’altération

Caractères géochimiques des principaux types d’altération en fonction du climat

Climat froid tempéré chaud

CHELUVIATION Al2O3

léssivage modéré léssivage faible léssivage modéré lés sivage intense

Résultat Silice libre Phyllo 2/1 Phyllo 1/1 Hydrox d'Al(illites, smectites) (kaolinite) (gibbsite, boehmite)

Processus Podzolisation bisiallitisation monosiallitis ation allitisation

Evolution géochimique

SOLUVIATION = HYDROLYSE SiO2 SiO2 SiO2

Les conditions physico-chimiques du milieu.

• Le pH

• Le CO2 atmosphérique

• Le couvert végétal

Acidification des eaux

pH

Eau pluviale (et sols) = légèrement acides.� dissolution et hydrolyse jouent un rôle dominant. Par contre, le pH de l'eau de mer = 8�Peu de réactions d'hydrolyse

Environnements en contact avec l'atmosphère sont oxydants. Conditions réductrices seulement dans des milieux isolés de l'atmosphère (bassins stratifiés, nappes profondes,...) ou des milieux dont tout l'oxygène est consommé (par exemple suite à l'oxydation de la matière organique).

CO2 atmos

H2O + CO2 H2CO3 H+ + HCO3-

eau Dioxyde de carbone

Acide carbonique

Ion hydrogène

Ion bicarbonate

Acides humiques

La MO en se décomposant donne des composés organiques ± acides.

� ils modifient le pH.

� ils ont un pouvoir complexant.

L’humus

Il s'agit, essentiellement ( 95% ou plus ), de subs tances végétales retombant sur le sol à partir des plantes ( ou y apportée s par l'homme ), et, accessoirement, d'excréments et de ca davres d'animaux.

Leur acidité joue sur les paramètres d’altération des roches

Leur présence dépend beaucoup du climat.Climat froid : décomposition de MO lenteClimat chaud : décomp plus rapide

Le temps - Hawaii

Climat = stable T°: 16°CPluies = 2500mm

RM = Basalte partout

Faible altération, texture grossière

Sols très altérés, MO et argiles très réactive

Argiles peu réactives (kaol, illite)Sol très peu réactif, altération et lessivage maximaux, principalement Feox et Alox. Sol tropical typique.

Hawaii 2

Plus l’âge est grand moins il y a de cations. Et moins l’altération est éfficace

Hawaii 3

AGE+ vieux+ jeune

GéologiePédologie

TopographiePluies

Températures

pH des sols Salinité des sols Teneur en eau des sols

L’EROSION et l’ALTERATION

Sont les moteurs de

LA PEDOGENESE

Pédogenèse : [du gr. Pedon (sol) et de genèse (création)] – Processus amenant àla formation des sols à partir d’une roche-mère.