7Le sol, une ressource lente à se former

Une route taillée dans une colline des tropiques humides montre une paroi de terre rouge, haute de plusieurs fois la taille d’un homme. À son pied, la roche est encore reconnaissable : pâle, striée, mais si tendre qu’elle s’effrite entre les doigts tout en montrant encore les grains et les bandes de la roche qu’elle a été. Vers le haut, elle passe à une argile bariolée, puis à une couche rouge et dure, puis à un sol mince où se trouvent les racines. Toute la paroi était autrefois de la roche massive : c’est la roche elle-même, lentement transformée sur place par l’eau et l’air. Le sol, où poussent toutes les plantes des terres émergées et la nourriture de presque toute l’humanité, est le sommet d’une telle colonne. Ce chapitre explique comment la roche devient sol, quelle chimie fait le travail, comment le climat en règle le rythme, et pourquoi le sol, si lent à se former, peut se perdre si vite.

Tu sais déjà

L’altération fragmente les roches sur place ; l’érosion emporte les morceaux ; le dépôt les dépose ailleurs (livre 1, année 5). Les roches sont faites de minéraux, comme le quartz, les feldspaths et les micas d’un granite (livre 1, année 6). Un sol est une couche vivante faite de grains minéraux, d’humus, d’eau, d’air et d’organismes ; les décomposeurs transforment la matière morte en humus ; on décrit un sol par ses couches, ou horizons (les livres de biologie). Dans une oxydation, une substance perd des électrons, souvent en se combinant au dioxygène (les livres de chimie).

7.1 De la roche au sol

L’altération physique — gélifraction, alternance d’échauffement et de refroidissement, racines — fragmente la roche sans changer ses minéraux. L’altération chimique transforme les minéraux eux-mêmes. Ensemble, sur de longues durées, elles changent le sommet de la roche massive en un manteau meuble qui s’épaissit vers le bas à mesure que l’altération ronge la roche sous-jacente.

Définition 7.1 (Roche mère ; saprolite)

La roche mère d’un sol est la roche à partir de laquelle sa partie minérale s’est formée. La saprolite est une roche décomposée sur place par l’altération : tendre et terreuse, elle montre encore les grains et la structure de la roche mère. Un profil d’altération est la colonne entière, de la roche saine jusqu’au sol au sommet, en passant par la saprolite.

La saprolite peut être épaisse. Sous les collines ondulées qui bordent le versant est des Appalaches, dans l’est des États-Unis, elle atteint par endroits environ $46\,\mathrm{m}$ (150 pieds), même si son épaisseur varie beaucoup d’un lieu à l’autre ; le sol n’en est que la partie supérieure.

7.2 L’altération chimique

Définition 7.2 (Altération chimique)

L’altération chimique est la transformation des minéraux d’une roche par des réactions avec l’eau et avec les gaz qu’elle transporte, le dioxyde de carbone et le dioxygène : certains minéraux se dissolvent, d’autres sont changés en nouveaux minéraux, stables à la surface de la Terre.

L’eau de pluie dissout un peu de dioxyde de carbone de l’air, et bien davantage en s’infiltrant dans le sol, où les racines et les décomposeurs le rejettent en respirant. Une partie du gaz dissous forme de l’acide carbonique, qui libère des ions hydrogène :

$\ce{CO2 + H2O -> H+ + HCO3-}$

Ces ions hydrogène attaquent les minéraux.

Définition 7.3 (Hydrolyse)

L’hydrolyse est l’altération chimique d’un minéral silicaté par l’eau et ses ions hydrogène : les ions hydrogène prennent la place des ions métalliques du minéral, qui passent en solution, et le reste du minéral est reconstruit en un minéral argileux.

Proposition 7.4 (Hydrolyse d’un feldspath)

Le feldspath potassique orthose, $\ce{KAlSi3O8}$, est transformé par hydrolyse en un minéral argileux, la kaolinite, $\ce{Al2Si2O5(OH)4}$ ; les ions potassium et la silice dissoute, $\ce{H4SiO4}$, sont emportés par l’eau :

$\ce{2 KAlSi3O8 + 2 H+ + 9 H2O -> Al2Si2O5(OH)4 + 2 K+ + 4 H4SiO4}$

Proposition 7.5 (Dissolution de la calcite)

La calcite, $\ce{CaCO3}$, le minéral du calcaire, se dissout entièrement dans une eau chargée de dioxyde de carbone ; il ne reste rien de solide :

$\ce{CaCO3 + CO2 + H2O -> Ca^2+ + 2 HCO3-}$

Le fer est attaqué d’une troisième façon. Dans les minéraux sombres d’une roche, comme le mica noir d’un granite, le fer est sous la forme réduite $\ce{Fe^2+}$. Le dioxygène apporté par l’eau l’oxyde, et le fer(III) reste sur place sous forme d’oxydes insolubles : la goethite jaune-brun, $\ce{FeO(OH)}$, et l’hématite rouge, $\ce{Fe2O3}$. Pour la goethite :

$\ce{4 Fe^2+ + O2 + 6 H2O -> 4 FeO(OH) + 8 H+}$

Ces oxydes colorent en jaune, en brun et en rouge les roches altérées et les sols.

Tous les minéraux ne s’altèrent pas au même rythme. Dans un granite qui s’altère, le mica noir rouille et les feldspaths se changent en argile, mais les grains de quartz, presque insolubles, en sortent intacts : ils finissent en sable.

Exemple 7.6 (L’altération d’un granite)

Un kilogramme d’orthose contient $1000/278.33 \approx 3.59\,\mathrm{mol}$ de $\ce{KAlSi3O8}$. D’après l’équation, deux moles d’orthose donnent une mole de kaolinite : $3.59/2 \approx 1.80\,\mathrm{mol}$, soit $1.80 \times 258.16 \approx 464\,\mathrm{g}$ d’argile. Le potassium, $14.05~\%$ de la masse de l’orthose, soit $140.5\,\mathrm{g}$, et $2 \times 3.59 = 7.19\,\mathrm{mol}$ de silice partent en solution. D’un granite fait de quartz, de feldspaths et de micas, l’altération laisse du sable (le quartz), de l’argile (issue des feldspaths et des micas) et des oxydes de fer, et envoie aux rivières le potassium, le sodium, le calcium et la silice.

7.3 Argiles et humus

Définition 7.7 (Minéral argileux)

Un minéral argileux est un silicate fait de minces feuillets d’atomes empilés les uns sur les autres, formé par l’altération, qui se présente en paillettes bien plus petites que des grains de sable. La kaolinite en est un.

Les surfaces des paillettes d’argile portent des charges électriques négatives. Elles retiennent des ions positifs — potassium $\ce{K+}$, calcium $\ce{Ca^2+}$, magnésium $\ce{Mg^2+}$, ammonium $\ce{NH4+}$ — que la pluie emporterait sinon. L’humus fait de même. Liés ensemble, l’argile et l’humus forment le complexe argilo-humique, la réserve de sels minéraux nutritifs du sol : une racine libère des ions hydrogène et prend en échange le potassium ou le calcium retenus sur les paillettes.

7.4 Les sols et le climat

L’altération chimique a besoin d’eau et, comme la plupart des réactions, elle est plus rapide quand il fait chaud. Là où le climat est à la fois chaud et humide, la roche se décompose le plus profondément et le plus complètement : les feldspaths se changent entièrement en argile, une grande partie de la silice elle-même est emportée, et ce qui reste est riche en éléments les moins solubles, le fer et l’aluminium.

Définition 7.8 (Latérite)

Une latérite est un matériau profondément altéré des climats chauds et humides, rouge ou brun, fait surtout d’oxydes de fer et d’aluminium et de kaolinite, dont presque tout ce qui est soluble a été retiré.

Sous les climats froids, gelés une grande partie de l’année, et sous les climats secs, où l’eau est rare, l’altération chimique est lente : les sols sont minces et la roche se trouve juste en dessous. Des pôles à l’équateur, la profondeur d’altération est la plus grande sous les forêts tropicales humides et la plus faible dans les déserts et les régions polaires.

7.5 Lent à se former, prompt à se perdre

À quelle vitesse le sol se forme-t-il ? La production de sol, le rythme auquel l’altération change la roche en sol à la base du profil, a été mesurée en de nombreux sites du monde, tout comme le rythme auquel le sol est érodé en surface. Une compilation de ces mesures donne les vitesses typiques (médianes) ci-dessous, chacune exprimée en épaisseur de sol par an.

Sous la végétation naturelle, le sol est érodé à peu près aussi vite qu’il se forme, environ $0.02\,\mathrm{mm}$ par an : un centimètre en quelque six siècles. Sous un labour conventionnel, qui laisse le sol nu entre les cultures, la vitesse médiane d’érosion est de $1.5\,\mathrm{mm}$ par an, quatre-vingt-dix fois la vitesse de production de sol. Sous une agriculture de conservation, qui perturbe moins le sol et le garde couvert, la médiane tombe à $0.08\,\mathrm{mm}$ par an, bien plus près de la vitesse de production.

Méthode 7.9 (Comparer une vitesse de formation et une vitesse d’érosion)

1. Exprimer les deux vitesses dans la même unité (millimètres par an).
2. La perte nette est la vitesse d’érosion $E$ moins la vitesse de production $P$.
3. Un sol d’épaisseur $S$ est perdu en $T = S/(E - P)$ ans ; si $E \le P$, le sol ne se perd pas.
4. Former une épaisseur $S$ à partir de rien demande $S/P$ ans.

Avec ces vitesses, un mètre de sol met environ $1000/0.017 \approx 59\,000$ ans à se former, et sous un labour conventionnel il peut être perdu en environ $1000/(1.537 - 0.017) \approx 660$ ans. À l’échelle humaine, le sol est une ressource qui ne se renouvelle pas.

7.6 Exercices

Exercice 7.1 ★

Définir l’altération chimique et l’hydrolyse.

Solution

Solution de Exercice 7.1.

L’altération chimique est la transformation des minéraux d’une roche par des réactions avec l’eau et les gaz qu’elle transporte (dioxyde de carbone, dioxygène) : certains minéraux se dissolvent, d’autres deviennent de nouveaux minéraux, stables en surface. L’hydrolyse est l’altération chimique d’un silicate par l’eau et ses ions hydrogène : les ions métalliques passent en solution et le reste du minéral est reconstruit en un minéral argileux.

Exercice 7.2 ★

Qu’est-ce que la saprolite ? Comment distinguer une saprolite d’un sol formé dans du sable apporté par une rivière ?

Solution

Solution de Exercice 7.2.

La saprolite est une roche décomposée sur place : tendre et terreuse, elle garde les grains, les bandes et la structure de sa roche mère et passe vers le bas, sans rupture, à la roche saine. Un sol formé dans du sable de rivière repose sur un matériau venu d’ailleurs : ses grains sont arrondis et triés, et il ne montre rien de la structure de la roche sous-jacente.

Exercice 7.3 ★

Nommer les produits de l’altération d’un granite : que devient chacun de ses trois minéraux principaux ?

Solution

Solution de Exercice 7.3.

Les feldspaths deviennent de l’argile (kaolinite), en libérant dans l’eau du potassium, du sodium ou du calcium et de la silice ; le mica noir devient de l’argile et des oxydes de fer ; le quartz reste intact, sous forme de sable.

Exercice 7.4 ★

Pourquoi les roches altérées et les sols tropicaux sont-ils si souvent rouges, jaunes ou bruns ?

Solution

Solution de Exercice 7.4.

Le fer des minéraux sombres, $\ce{Fe^2+}$, est oxydé par le dioxygène apporté par l’eau en oxydes de fer(III) insolubles : la goethite jaune-brun et l’hématite rouge, qui enrobent les grains et colorent tout le matériau.

Exercice 7.5 ★

À l’aide du diagramme en barres, donner la vitesse médiane de production de sol et la vitesse médiane d’érosion sous un labour conventionnel. Combien de fois la seconde est-elle plus grande ?

Solution

Solution de Exercice 7.5.

$0.017\,\mathrm{mm}$ par an et $1.537\,\mathrm{mm}$ par an : $1.537/0.017 \approx 90$ fois plus.

Exercice 7.6 ★★

Vérifier que l’équation de la dissolution de la calcite est équilibrée, pour chaque élément et pour la charge.

Solution

Solution de Exercice 7.6.

Calcium : 1 et 1. Carbone : $1 + 1 = 2$ et 2. Oxygène : $3 + 2 + 1 = 6$ et $2 \times 3 = 6$. Hydrogène : 2 et 2. Charge : 0, et $+2 - 2 = 0$.

Exercice 7.7 ★★

Le calcaire se dissout entièrement, le granite laisse du sable et de l’argile. Expliquer la différence à l’aide des deux réactions du chapitre.

Solution

Solution de Exercice 7.7.

La dissolution de la calcite ne produit que des ions dissous, $\ce{Ca^2+}$ et $\ce{HCO3-}$ : tout est emporté et un calcaire pur ne laisse aucun résidu solide. L’hydrolyse du feldspath produit un solide, la kaolinite, qui reste ; et le quartz du granite ne réagit presque pas. Le granite laisse donc de l’argile et du sable.

Exercice 7.8 ★★

Expliquer comment le complexe argilo-humique retient le potassium dans un sol que la pluie traverse, et comment une racine le prélève.

Solution

Solution de Exercice 7.8.

Les paillettes d’argile et l’humus portent des charges négatives qui retiennent à leur surface les ions positifs potassium $\ce{K+}$, si bien que l’eau de pluie qui traverse le sol ne les emporte pas. Une racine libère des ions hydrogène, qui prennent la place du potassium sur les paillettes ; le potassium libéré dans l’eau du sol est absorbé par la racine.

Exercice 7.9 ★★

Donner deux raisons pour lesquelles les latérites se forment sous les climats chauds et humides et non sous les climats froids ou secs.

Solution

Solution de Exercice 7.9.

L’altération chimique a besoin d’eau, abondante sous les climats humides et rare sous les climats secs (et gelée sous les climats froids) ; et ses réactions sont plus rapides quand il fait chaud. Ce n’est que sous la chaleur et avec une eau abondante, pendant longtemps, que les réactions vont assez loin pour retirer presque tout ce qui est soluble et laisser des oxydes de fer et d’aluminium.

Exercice 7.10 ★★

La vitesse médiane de production de sol est de $0.017\,\mathrm{mm}$ par an. Combien de temps faut-il pour former $1\,\mathrm{cm}$, $30\,\mathrm{cm}$ et $1\,\mathrm{m}$ de sol ?

Solution

Solution de Exercice 7.10.

$10/0.017 \approx 590$ ans pour $1\,\mathrm{cm}$ ; $300/0.017 \approx 17\,600$ ans pour $30\,\mathrm{cm}$ ; $1000/0.017 \approx 59\,000$ ans pour $1\,\mathrm{m}$.

Exercice 7.11 ★★

Les vitesses d’érosion sont souvent données en masse de sol par hectare et par an. Avec une masse volumique du sol de $1200\,\mathrm{kg}/\mathrm{m}^{3}$, quelle masse représente une perte de $1.5\,\mathrm{mm}$ par an sur un hectare ($10\,000\,\mathrm{m}^{2}$) ?

Solution

Solution de Exercice 7.11.

Volume : $10\,000 \times 0.0015 = 15\,\mathrm{m}^{3}$ ; masse : $15 \times 1200 = 18\,000\,\mathrm{kg}$, soit $18$ tonnes par hectare et par an.

Exercice 7.12 ★★★

Une saprolite de $46\,\mathrm{m}$ d’épaisseur s’est formée sous les collines d’une région tempérée. Si l’altération progressait dans la roche à $0.017\,\mathrm{mm}$ par an, combien de temps cela aurait-il pris ? Que suggère la réponse sur l’âge d’un tel paysage ?

Solution

Solution de Exercice 7.12.

$46\,000/0.017 \approx 2.7$ millions d’années. Une saprolite aussi épaisse exige un paysage resté stable, sans que son manteau d’altération soit décapé, pendant des millions d’années.

Exercice 7.13 ★★★

Écrire l’équation de l’oxydation de $\ce{Fe^2+}$ en goethite donnée dans le chapitre et la vérifier. Puis écrire et équilibrer l’oxydation de $\ce{Fe^2+}$ en hématite, $\ce{Fe2O3}$, par le dioxygène et l’eau, avec libération de $\ce{H+}$.

Solution

Solution de Exercice 7.13.

Goethite : $\ce{4 Fe^2+ + O2 + 6 H2O -> 4 FeO(OH) + 8 H+}$ : fer 4 et 4, oxygène $2 + 6 = 8$ et $4 \times 2 = 8$, hydrogène 12 et $4 + 8 = 12$, charge $+8$ et $+8$. Hématite : $\ce{4 Fe^2+ + O2 + 4 H2O -> 2 Fe2O3 + 8 H+}$ : fer 4 et 4, oxygène $2 + 4 = 6$ et 6, hydrogène 8 et 8, charge $+8$ et $+8$.

Exercice 7.14 ★★★

Sous une agriculture de conservation, la vitesse médiane d’érosion est de $0.082\,\mathrm{mm}$ par an. Avec une production de sol de $0.017\,\mathrm{mm}$ par an, combien de temps faut-il pour perdre $30\,\mathrm{cm}$ de sol ? Comparer au labour conventionnel.

Solution

Solution de Exercice 7.14.

Perte nette $0.082 - 0.017 = 0.065\,\mathrm{mm}$ par an ; $300/0.065 \approx 4600$ ans. Sous un labour conventionnel, $300/1.52 \approx 200$ ans : plus de vingt fois moins.

Exercice 7.15 ★★★

Un granite contient $30\,\%$ d’orthose en masse. Quelle masse de kaolinite se forme quand une tonne de ce granite a vu toute son orthose s’altérer, et quelle masse de potassium est libérée ?

Solution

Solution de Exercice 7.15.

La tonne contient $300\,\mathrm{kg}$ d’orthose. Chaque kilogramme donne $464\,\mathrm{g}$ de kaolinite : $300 \times 0.464 \approx 139\,\mathrm{kg}$. Potassium : $300 \times 0.1405 \approx 42\,\mathrm{kg}$.

7.7 Problème : la durée de vie d’un sol

Problème 7.1

Problème du week-end — de la roche au champ, et retour à la rivière

Partie I — Un profil.

1. L’échelle atteint 4 pieds près du bas de l’image. Quelle profondeur cela représente-t-il, en mètres ?
2. La couche sombre du sommet descend jusqu’à un demi-pied environ. Quelle est son épaisseur, en centimètres ?
3. Qu’est-ce qui donne à cette couche supérieure sa couleur sombre ?
4. En dessous, le sol est brun rougeâtre. Quels minéraux lui donnent cette couleur, et comment se sont-ils formés ?
5. La roche mère est-elle visible sur la photographie ? Que s’attendrait-on à trouver sous le bas de l’image ?

Partie II — La chimie d’un granite qui s’altère.

6. Écrire l’équation de l’hydrolyse de l’orthose.
7. Combien de moles d’orthose y a-t-il dans $1\,\mathrm{kg}$ ($278.33\,\mathrm{g}/\mathrm{mol}$) ?
8. Quelle masse de kaolinite ($258.16\,\mathrm{g}/\mathrm{mol}$) donnent-elles ?
9. Qu’est-ce qui part avec l’eau, et où cela va-t-il ?
10. Que devient le quartz du granite ?

Partie III — Formation contre érosion.

11. Le sol se forme à $0.017\,\mathrm{mm}$ par an. Combien de temps faut-il pour former le profil de la partie I ?
12. Sous un labour conventionnel, le sol est érodé à $1.537\,\mathrm{mm}$ par an. Quelle est la perte nette chaque année ?
13. Combien de temps durerait le profil de la partie I ?
14. Comparer les deux durées des questions 11 et 13.
15. Sous la végétation naturelle, l’érosion est de $0.013\,\mathrm{mm}$ par an. Le sol se perd-il ?

Partie IV — La durée de vie du sol.

16. Écrire la durée $T$ nécessaire pour perdre une épaisseur $S$ de sol en fonction de $S$, de la vitesse d’érosion $E$ et de la vitesse de production $P$.
17. Calculer $T$ pour $S = 30\,\mathrm{cm}$ sous un labour conventionnel.
18. Calculer $T$ pour $S = 30\,\mathrm{cm}$ sous une agriculture de conservation ($0.082\,\mathrm{mm}$ par an).
19. Pourquoi peut-on dire qu’un sol est une ressource qui ne se renouvelle pas à l’échelle humaine ?
20. Combien de temps faut-il pour perdre un mètre de sol sous un labour conventionnel ?

Solution

Solution de Problème 7.1.

1. $4 \times 0.3048 \approx 1.22\,\mathrm{m}$.

2. $0.5 \times 30.48 \approx 15\,\mathrm{cm}$.

3. L’humus, la matière organique sombre fabriquée par les décomposeurs à partir des plantes mortes.

4. Des oxydes de fer, la goethite et l’hématite, formés par l’oxydation du fer(II) des minéraux du matériau parental.

5. Non. En dessous, le profil passerait à une roche altérée, la saprolite (ou un autre matériau altéré), puis à la roche mère saine.

6. $\ce{2 KAlSi3O8 + 2 H+ + 9 H2O -> Al2Si2O5(OH)4 + 2 K+ + 4 H4SiO4}$.

7. $1000/278.33 \approx 3.59\,\mathrm{mol}$.

8. $3.59/2 \approx 1.80\,\mathrm{mol}$ de kaolinite, $1.80 \times 258.16 \approx 464\,\mathrm{g}$.

9. Les ions potassium et la silice dissoute : l’eau les emporte aux rivières, et les rivières à la mer.

10. Il ne réagit presque pas : les grains de quartz restent sous forme de sable.

11. $1219/0.017 \approx 72\,000$ ans.

12. $1.537 - 0.017 = 1.52\,\mathrm{mm}$ par an.

13. $1219/1.52 \approx 800$ ans.

14. $72\,000/800 = 90$ : le profil se perd quatre-vingt-dix fois plus vite qu’il ne s’est formé.

15. Non : $0.013 < 0.017$, l’érosion est un peu plus lente que la production et le sol se maintient.

16. $T = S/(E - P)$.

17. $300/1.52 \approx 200$ ans.

18. $300/(0.082 - 0.017) = 300/0.065 \approx 4600$ ans.

19. Un sol perdu en quelques siècles met des dizaines de milliers d’années à se reformer : à l’échelle des vies humaines et des sociétés, ce qui est perdu n’est pas remplacé.

20. $1000/1.52 \approx 660$ ans : un mètre de sol se perd en environ 660 ans, quelques siècles, sous un labour conventionnel.