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.

Vieille coulée

Coulée plus récente

sol

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 sous-horizons.

• 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

QuestionL’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

B

A

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).

Triangle emprunté à : http://www.soils.org/sssagloss/figure1.html

27%

7 %

28%

50%52%

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.

Matière organique

minéralisation

humification humus

CO2, NH4+,

NO3-…

Question

Photo : Université Northern British Columbia : http://web.unbc.ca/~quarles/nres/soc/soc.htm

Certains horizons de ce sol contiennent de l’humus. Lesquels ?

Réponse : On cherche une couleur brun foncée. Une partie de l’horizon organique O en contient ainsi qu’une partie de l’horizon B.

L’horizon A de ce podzol a une couleur de cendre parce qu’il est lessivé (l’eau d’infiltration a tout emporté).

O

A

B

C

humus

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 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 capillaire

eau adsorbée

QuestionL’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 ?

eau de l’évier

eau capillaire

plaquesL’eau monte d’autant plus haut que la distance entre les plaques est faible. Les plaques forment donc un coin.

argile marine

Restes du pont arraché en 1971 par la coulée d’argile de Saint-Jean-Vianney

r. des Vases

r. Saguenay

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.

Chert : boue siliceuse

Craie : boue calcaire

Shale : boue argileuse

• 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.

L’argile de Leda

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).

QuestionAu 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 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 se dépose plus rapidement au fond comme le montre la photo ci-contre.

salée douce

Sédimentation d’une suspension d’argile

• 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.

eau salée

plaquette

Argile solide gorgée d’eau

• 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.

eau douce

plaquette

Argile liquide

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).

Source : Site de Jonathan Fradet : http://membres.lycos.fr/shipshaw/vianney/photo.html

La coulée d’argile de Saint-Jean-Vianney dans la région de La coulée d’argile de Saint-Jean-Vianney dans la région de Shipshaw et Chicoutimi.Shipshaw et Chicoutimi.