erosion & altération
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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
http://frankyrun.over-blog.com/
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
http://frankyrun.over-blog.com/
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
http://frankyrun.over-blog.com/
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.