Modelés des paysages et transferts de matériaux en surface

Résumé en cinq points

Notions et mécanismes

Le modelé d'un paysage et ses facteurs

Le modelé est l'ensemble des formes du relief observées à la surface, versants, plateaux, escarpements, vallées, dépressions fermées. Il résulte de la façon dont l'érosion attaque des roches de résistance inégale, dans un contexte climatique donné.

Les facteurs intrinsèques tiennent à la roche et à sa disposition. La lithologie, d'abord : un calcaire massif, un granite, une argile ne réagissent pas de la même manière à l'eau. La structure ensuite, c'est-à-dire l'agencement géométrique des couches, horizontales, inclinées, plissées ou faillées. Le relief lui-même, altitude et pente, contrôle la vitesse d'écoulement des eaux et donc l'énergie disponible pour l'érosion.

Les facteurs externes sont le climat et la végétation. Les paramètres climatiques à connaître sont la température et les précipitations, auxquelles s'ajoute l'alternance gel-dégel. La végétation joue dans les deux sens : ses racines fragmentent la roche et le sol produit des acides organiques et du dioxyde de carbone qui accélèrent l'altération chimique, mais le couvert végétal protège le sol de l'érosion mécanique en freinant le ruissellement.

C'est la combinaison de ces facteurs qui explique la diversité des modelés. Un même calcaire donne un relief karstique en climat tempéré humide et des formes bien différentes en climat aride.

L'altération physique

L'altération physique fragmente la roche sans changer sa composition chimique. Le gel de l'eau dans les fissures, qui augmente de volume, provoque l'éclatement, ou gélifraction. Les variations journalières de température font travailler les minéraux, dont les coefficients de dilatation diffèrent. La décompression liée à l'érosion des terrains sus-jacents ouvre des fractures parallèles à la surface. Les racines écartent les diaclases. En milieu aride ou littoral, la cristallisation de sels dans les pores exerce une pression.

Son rôle principal est d'augmenter considérablement la surface de contact entre la roche et l'eau, ce qui accélère l'altération chimique. Les deux processus se renforcent mutuellement.

L'altération chimique des carbonates

Le calcaire est très peu soluble dans l'eau pure. Il le devient en présence de dioxyde de carbone dissous, qui acidifie l'eau. La réaction met en jeu le carbonate de calcium, le dioxyde de carbone et l'eau, et produit des ions calcium et des ions hydrogénocarbonate en solution. Elle est réversible, ce qui est essentiel.

Les éléments de contrôle sont à savoir discuter. Une pression partielle de dioxyde de carbone élevée déplace l'équilibre vers la dissolution. Or le sol, riche en activité biologique, contient beaucoup plus de dioxyde de carbone que l'atmosphère, ce qui explique que l'altération soit maximale sous couvert végétal. Une température basse augmente la solubilité du dioxyde de carbone dans l'eau, donc l'agressivité de l'eau, alors que le réchauffement d'une eau ou son dégazage provoquent au contraire la précipitation. Un pH acide favorise la dissolution.

Les formes qui en résultent constituent le modelé karstique : lapiez à la surface des dalles, dolines en dépression fermée, gouffres, réseaux de galeries et grottes en profondeur, rivières souterraines, résurgences. Dans les grottes, le dégazage des eaux d'infiltration provoque la précipitation de calcite et la formation de stalactites et de stalagmites, ce qui illustre la réversibilité de la réaction.

L'hydrolyse des silicates

L'hydrolyse est l'attaque d'un silicate par l'eau, favorisée par l'acidité. Elle produit trois catégories de matériaux : des cations libérés en solution, de la silice dissoute, et des minéraux argileux néoformés qui restent sur place. Elle consomme des protons, donc du dioxyde de carbone dissous, ce qui en fait un puits de carbone à l'échelle des temps géologiques.

L'altérabilité d'un silicate dépend de la structure de son réseau cristallin et de la nature des ions qu'il contient. Un réseau où les tétraèdres de silice sont peu polymérisés, comme dans l'olivine, est plus facilement attaqué qu'un réseau fortement charpenté comme celui du quartz. Les liaisons impliquant des cations gros et peu chargés, comme le potassium ou le sodium, sont plus fragiles que celles impliquant l'aluminium ou le silicium.

Le programme demande d'étudier les stades de l'hydrolyse sur les feldspaths alcalins, en pratique sur l'orthose, et se limite à deux argiles, l'illite, minéral de type TOT, et la kaolinite, minéral de type TO.

Trois stades sont distingués, du moins intense au plus intense.

La bisiallitisation correspond à une hydrolyse partielle. Une partie seulement du potassium et de la silice est évacuée, et l'argile néoformée conserve deux feuillets de silice pour un feuillet d'alumine, c'est l'illite. Ce stade caractérise les climats tempérés, où l'eau disponible et la température restent modérées.

La monosiallitisation correspond à une hydrolyse plus poussée. Tout le potassium et une bonne part de la silice partent en solution, et l'argile néoformée ne conserve qu'un feuillet de silice pour un feuillet d'alumine, c'est la kaolinite. On écrit cette réaction en faisant réagir l'orthose avec des protons et de l'eau pour donner de la kaolinite, des ions potassium et de l'acide silicique dissous. Ce stade caractérise les climats chauds et humides.

L'allitisation correspond à une hydrolyse totale. Toute la silice est évacuée, il ne reste que des hydroxydes d'aluminium, auxquels s'associent des oxydes et hydroxydes de fer. Ce stade caractérise les climats tropicaux à très fortes précipitations et à drainage intense.

L'intensité de l'altération, donc la nature de l'argile formée, est ainsi un indicateur climatique, ce qui est utilisé pour les reconstitutions paléoenvironnementales.

Le diagramme de Goldschmidt

Le devenir d'un élément libéré dépend de son comportement vis-à-vis de l'eau. Une molécule d'eau est polaire, elle s'oriente autour d'un ion et l'hydrate. L'intensité de cette interaction croît avec la charge de l'ion et décroît avec son rayon. On construit donc un rapport, appelé potentiel ionique, égal à la charge divisée par le rayon ionique, et on porte les éléments sur un diagramme charge en fonction du rayon, le diagramme de Goldschmidt. Trois domaines y apparaissent.

Pour un potentiel ionique faible, l'attraction est trop faible pour rompre les molécules d'eau. L'ion reste simplement hydraté et demeure en solution. C'est le cas du sodium, du potassium, du calcium et du magnésium, qui sont les cations lessivés, évacués par les eaux vers les rivières puis vers l'océan.

Pour un potentiel ionique intermédiaire, l'ion attire suffisamment l'oxygène des molécules d'eau pour arracher des protons et former des hydroxydes insolubles, qui précipitent sur place. C'est le cas de l'aluminium et du fer trivalent, qui sont les éléments résiduels, concentrés dans les formations d'altération. Le silicium se situe à la limite supérieure de ce domaine, ce qui explique sa mobilité intermédiaire et variable selon l'intensité de l'altération.

Pour un potentiel ionique très fort, l'ion se lie complètement à l'oxygène pour former un anion complexe, comme le carbonate, le nitrate, le sulfate ou le phosphate, qui est de nouveau soluble.

Le diagramme fournit donc une prévision simple : il permet de distinguer les éléments lessivés des produits insolubles, et donc de comprendre la composition chimique des eaux de rivière autant que celle des formations résiduelles.

Les formations résiduelles

Une formation résiduelle est le matériel laissé sur place par l'altération. L'arène granitique en est l'exemple le plus courant : le granite s'y désagrège en un sable grossier contenant des grains de quartz intacts, des feldspaths ternes en cours d'hydrolyse, des micas altérés et des argiles néoformées. Les blocs non altérés isolés dans l'arène donnent en s'exhumant les chaos de boules caractéristiques des paysages granitiques.

En climat tropical humide, l'allitisation produit des latérites, formations rouges riches en oxydes et hydroxydes de fer et d'aluminium. Lorsque l'enrichissement en aluminium est suffisant, la formation constitue une bauxite, qui est le minerai d'aluminium. Interpréter la présence d'oxydes et d'hydroxydes de fer et d'aluminium dans une formation superficielle, c'est donc diagnostiquer une altération intense sous climat chaud et très humide, éventuellement ancienne et fossilisée.

Érosion et entraînement de matière

L'érosion désigne l'arrachement et le départ des produits de l'altération. À la surface des continents, cela se traduit par deux flux, un flux de solutés et un flux de particules en suspension ou charriées sur le fond. L'eau courante est le principal agent, complétée par le vent, la glace des glaciers et la gravité sur les versants.

Les modes de transport des particules sont, par taille croissante de grain, la suspension pour les plus fines, la saltation par bonds successifs pour les sables, le charriage par roulement ou glissement sur le fond pour les plus grossières.

Le diagramme de Hjulström

Ce diagramme relie la vitesse du courant, en ordonnée, et la taille des particules, en abscisse, les deux échelles étant logarithmiques. Deux courbes y sont tracées et délimitent trois domaines.

La courbe supérieure est la courbe d'arrachement. Au-dessus d'elle, le courant est assez rapide pour éroder les particules de la taille considérée. Cette courbe a une forme en U, avec un minimum pour les sables fins, autour de quelques dixièmes de millimètre, mobilisés dès une vitesse de l'ordre de 20 à 30 cm·s⁻¹. Le fait remarquable est que les argiles, pourtant beaucoup plus petites, exigent des vitesses plus élevées pour être arrachées, à cause de leur cohésion électrostatique. Les galets exigent eux aussi des vitesses fortes, cette fois à cause de leur masse.

La courbe inférieure est la courbe de dépôt, qui traduit la vitesse de chute des particules. Elle croît régulièrement avec la taille. Les galets se déposent dès que le courant faiblit, alors que les argiles restent en suspension même pour des vitesses très faibles, ce qui explique qu'elles ne sédimentent que dans les milieux calmes, lacs, plaines d'inondation, domaine marin profond.

Entre les deux courbes s'étend le domaine du transport, où une particule déjà en mouvement continue d'être transportée sans que le courant puisse en arracher de nouvelles.

Le tri minéralogique et chimique

Le transport n'est pas neutre. Il trie les particules selon leur taille, leur densité et leur forme, ce qui explique le classement granulométrique croissant de l'amont vers l'aval d'un fleuve, des galets dans le cours supérieur aux argiles dans l'estuaire. Il trie aussi chimiquement, puisque les minéraux fragiles, feldspaths et ferromagnésiens, disparaissent progressivement par altération au cours du transport, alors que le quartz, inaltérable, se concentre. Le grain s'émousse et s'arrondit au fur et à mesure des chocs.

Ce double tri préfigure la formation de nouveaux matériaux. Un sédiment transporté longuement donnera un grès riche en quartz bien classé et bien arrondi, dit mature. Un sédiment déposé près de sa source donnera un matériel mal classé et anguleux, contenant encore des feldspaths.

Exemples et objets de référence

Le granite est l'exemple de référence imposé par le programme pour caractériser l'altération à toutes les échelles. À l'échelle du paysage, un relief mou couvert d'arène avec des chaos de boules. À l'échelle de l'affleurement, une roche qui s'effrite sous le marteau, des diaclases orthogonales élargies. À l'échelle de l'échantillon, des feldspaths blancs ternes et friables, des micas noirs décolorés, des quartz gris intacts. À l'échelle du minéral, en lame mince, des feldspaths piquetés d'argiles néoformées et des micas déstructurés le long de leurs clivages.

Le karst, exemple de référence pour la dissolution, avec ses lapiez, dolines, gouffres, galeries et résurgences, à décrire sur une carte topographique par l'absence de réseau hydrographique de surface et la présence de dépressions fermées.

La bauxite, exemple de formation résiduelle allitique et de ressource minérale.

Ordres de grandeur : abaissement des continents par érosion de 0,01 à 1 mm par an selon le relief et le climat, transport par les fleuves de l'ordre de plusieurs milliards de tonnes de solutés et de plus d'une dizaine de milliards de tonnes de particules par an vers les océans, vitesse de courant de quelques dizaines de centimètres par seconde pour mobiliser un sable, teneur en dioxyde de carbone de l'air du sol dix à cent fois supérieure à celle de l'atmosphère.

Méthodes et savoir-faire

Analyser le modelé d'un paysage à partir d'une photographie et d'une carte. Décrire d'abord les formes, plateaux, escarpements, vallées, puis rechercher la lithologie et la structure sur la carte géologique, puis proposer un lien entre la résistance relative des roches et le relief, et enfin discuter le rôle du climat et de la végétation. Toujours formuler des hypothèses hiérarchisées plutôt qu'une affirmation unique.

Caractériser une altération de l'échelle du paysage à celle du minéral, en utilisant le granite comme trame.

Utiliser le diagramme de Goldschmidt. Placer l'élément selon sa charge et son rayon, lire le domaine, conclure qu'il est lessivé, résiduel ou soluble sous forme d'anion complexe, puis confronter cette prévision à l'analyse chimique proposée, eau de rivière ou formation d'altération.

Relier une argile à un climat. Identifier l'argile néoformée, en déduire le stade d'hydrolyse, donc l'intensité de l'altération, donc les conditions de température et de précipitations.

Analyser l'altération d'un calcaire en écrivant l'équilibre des carbonates et en discutant l'effet de la pression partielle de dioxyde de carbone, de la température et du pH.

Utiliser le diagramme de Hjulström. Placer le point correspondant à la taille de grain et à la vitesse du courant, lire le domaine, prévoir érosion, transport ou dépôt, et raisonner sur une variation de vitesse le long d'un cours d'eau.

Ce qu'il faut savoir mobiliser en colle et à l'écrit

1. Le schéma commenté d'un versant expliquant un modelé par le contraste de résistance entre deux lithologies.
2. L'équation de dissolution des carbonates et la discussion complète de ses facteurs de contrôle, y compris le sens contre-intuitif de l'effet de la température.
3. Les trois stades d'hydrolyse des feldspaths alcalins avec leurs produits et leurs climats associés.
4. Le diagramme de Goldschmidt tracé de mémoire avec ses trois domaines et quelques éléments placés.
5. Le diagramme de Hjulström tracé de mémoire, avec la forme en U de la courbe d'arrachement et son interprétation pour les argiles.
6. Les modes de transport des particules et la construction d'un tri granulométrique de l'amont vers l'aval.
7. Piège fréquent : confondre altération, qui transforme sur place, et érosion, qui arrache et évacue.
8. Piège fréquent : annoncer que les particules les plus fines sont les plus faciles à arracher. Leur cohésion les rend au contraire difficiles à mobiliser.

Notions et mécanismes clés

• Altération : transformation d'une roche sur place, physique ou chimique, sans déplacement notable des produits.
• Érosion : arrachement puis évacuation des produits de l'altération, sous forme de solutés ou de particules.
• Formation résiduelle : ce qui reste sur place après le départ des éléments mobiles. Exemples : arène, latérite, bauxite, argile de décalcification.
• Argile de décalcification : résidu insoluble d'un calcaire dissous, souvent rougi par les oxydes de fer (terra rossa des fonds de dolines).
• Altération différentielle : une roche résistante reste en saillie, une roche tendre est déblayée en creux. Le relief traduit ce contraste.
• Dissolution : mise en solution complète d'un minéral, sans solide néoformé (calcite, gypse, halite).
• Hydrolyse : rupture des liaisons du réseau silicaté par l'eau et les protons, avec départ de solutés et néoformation d'un solide.
• Agressivité d'une eau : capacité à dissoudre encore du calcaire, due à un excès de dioxyde de carbone dissous par rapport à l'équilibre.
• Drainage : renouvellement de l'eau au contact de la roche. Une eau stagnante se sature et n'altère plus. Un drainage intense entretient l'hydrolyse.
• Ordre d'altérabilité des silicates : olivine, pyroxènes, amphiboles, biotite, feldspaths, muscovite, quartz. Les minéraux cristallisés les premiers, à haute température, sont les plus altérables.
• Potentiel ionique : charge de l'ion divisée par son rayon. Il fixe le comportement de l'ion face à l'eau.
• Rapport Si/Al du produit néoformé, compté en atomes : il diminue quand l'hydrolyse s'intensifie.
  • Dans le schéma de Pedro, il vaut deux en bisiallitisation. C'est le cas des argiles TOT idéales. L'illite réelle est plutôt vers 1 à 1,3, car Al remplace une partie de Si.
  • Il vaut un pour la kaolinite et zéro pour la gibbsite.
  • En oxydes, le rapport molaire SiO₂/Al₂O₃ de la kaolinite vaut deux.
• Vitesse critique d'arrachement : vitesse minimale du courant pour mobiliser un grain au repos.
• Vitesse de chute : vitesse de sédimentation d'un grain dans l'eau calme. Elle croît avec la taille et la densité.
• Maturité d'un sédiment : elle est texturale (tri, arrondi) et minéralogique (proportion de quartz).

Chaînes de raisonnement

Du climat à la nature de l'argile. La température accélère la cinétique des réactions d'hydrolyse. Des précipitations abondantes avec un bon drainage évacuent la silice et les cations dès leur libération. L'eau ne se sature donc pas. Plus l'eau circule et plus elle est chaude, plus le produit résiduel perd de la silice : illite, puis kaolinite, puis hydroxydes d'aluminium.

Pourquoi le potassium part et l'aluminium reste. Le potassium, gros et peu chargé, a un potentiel ionique faible. Il s'entoure de molécules d'eau et reste en solution. L'aluminium, petit et trivalent, polarise l'eau au point de lui arracher des protons. Il forme un hydroxyde insoluble qui précipite sur place.

La végétation, accélérateur et frein. La respiration des racines et des micro-organismes enrichit l'air du sol en dioxyde de carbone. La décomposition de la litière libère des acides organiques. L'eau d'infiltration devient donc plus acide, ce qui accélère dissolution et hydrolyse. Mais le couvert et les racines retiennent le sol et freinent le ruissellement. Sous forêt, l'altération chimique est forte et l'ablation mécanique est faible. Les formations résiduelles s'épaississent donc.

Silicates et carbonates face au dioxyde de carbone. La dissolution d'un calcaire consomme une molécule de dioxyde de carbone. La précipitation de calcaire marin qui suit en rend une. Le bilan à long terme est donc nul. L'hydrolyse d'un silicate calcique consomme deux molécules de dioxyde de carbone, et la précipitation du carbonate marin n'en restitue qu'une. Seule l'altération des silicates est un puits net de carbone à l'échelle géologique.

Du dégazage au concrétionnement. Une eau d'infiltration s'équilibre avec l'air du sol, très riche en dioxyde de carbone, et dissout du calcaire. Elle débouche ensuite dans une grotte dont l'air est moins riche. Elle perd alors du dioxyde de carbone et l'équilibre se déplace vers la précipitation. La même réaction explique donc le creusement et le remplissage d'un réseau karstique.

De la vitesse du courant au tri. Le long d'un cours d'eau, la pente et la vitesse diminuent en général vers l'aval. Chaque classe de taille franchit la courbe de dépôt à un endroit différent, les plus grosses d'abord. Pendant ce temps, les minéraux fragiles s'altèrent et les grains s'émoussent. Le sédiment devient donc de plus en plus fin, trié et quartzeux.

Exemples et références à connaître

1. Chaos de boules granitiques : le Sidobre (Tarn), Huelgoat et la côte de Ploumanac'h (Bretagne). C'est l'exemple de paysage d'arène à citer.

2. Plateaux karstiques : les Causses, le Vercors et le Jura. Le gouffre de Padirac illustre un réseau souterrain, la Fontaine de Vaucluse une résurgence.

3. La bauxite, dont le nom vient des Baux-de-Provence. Les bauxites du sud de la France sont des formations fossiles d'âge crétacé. Elles signalent un climat tropical humide aujourd'hui disparu. L'Australie et la Guinée figurent parmi les premiers producteurs actuels.

4. La zonation mondiale de l'altération, selon les cartes établies par Georges Pedro :

   • bisiallitisation aux moyennes latitudes.
   • monosiallitisation puis allitisation vers l'équateur humide.
   • altération chimique faible dans les déserts et aux hautes latitudes, faute d'eau liquide ou de chaleur.

5. Pression partielle de dioxyde de carbone : environ 4 × 10⁻⁴ atm dans l'atmosphère, de l'ordre de 10⁻² atm dans l'air d'un sol actif.

6. Classes granulométriques :

   • argiles : sous 4 µm (limite parfois fixée à 2 µm).
   • silts : jusqu'à 63 µm.
   • sables : de 63 µm à 2 mm.
   • graviers et galets : au-delà.

7. Potentiels ioniques approchés, avec les rayons en ångströms :

   • potassium : environ 0,7.
   • sodium : environ 1.
   • calcium : environ 2.
   • magnésium : environ 3.
   • fer trivalent : environ 4,7.
   • aluminium : environ 5,5.
   • silicium : environ 10, selon le rayon retenu.

   Les limites usuelles des domaines sont vers 3 et vers 10. Elles varient selon les auteurs.

8. Composition des eaux de rivière. Celles qui drainent un granite sont peu minéralisées, et relativement riches en silice et en sodium. Celles qui drainent un calcaire sont dures, dominées par le calcium et l'hydrogénocarbonate.

Techniques

Équilibrer une réaction d'hydrolyse

La méthode compte quatre étapes :

1. Écrire le minéral de départ et le produit résiduel.
2. Conserver l'aluminium, qui reste sur place.
3. Équilibrer le potassium et la silice, évacués sous forme d'ions K⁺ et d'acide silicique H₄SiO₄.
4. Ajuster les protons pour la charge, puis l'eau pour l'oxygène et l'hydrogène.

Mini-exemple, l'allitisation de l'orthose : KAlSi₃O₈ + H⁺ + 7 H₂O → Al(OH)₃ + K⁺ + 3 H₄SiO₄.

Vérification : quinze oxygènes et quinze hydrogènes de chaque côté, une charge positive de chaque côté.

Cette réaction consomme environ une fois et demie plus d'eau par orthose que la monosiallitisation : sept molécules contre quatre et demie. Mais ce n'est pas l'argument principal. Ce qui relie l'allitisation à un climat très humide et bien drainé, c'est surtout le volume d'eau renouvelée nécessaire pour évacuer les trois H₄SiO₄, peu solubles.

Faire un bilan à élément invariant

On compare la roche saine et son altérite. On choisit un élément immobile, en pratique l'aluminium, ce que justifie le diagramme de Goldschmidt. On ramène l'altérite à la même quantité d'aluminium que la roche saine. On calcule ensuite la perte de chaque élément.

Mini-exemple. La roche saine contient 14 % d'alumine et l'altérite 28 %. Il faut donc deux fois moins d'altérite que de roche saine pour contenir la même quantité d'aluminium. L'altérite contient 2 % d'oxyde de potassium contre 5 % dans la roche. Le potassium restant vaut donc 2 × 0,5 = 1 pour 5, soit une perte de 80 %.

Placer un élément sur le diagramme de Goldschmidt

On calcule la charge divisée par le rayon. On situe la valeur par rapport aux deux limites, on conclut, puis on confronte à l'analyse fournie.

Mini-exemple. Le fer divalent, de potentiel voisin de 2,6, est soluble. Le fer trivalent, voisin de 4,7, précipite. Un sol engorgé et privé d'oxygène perd donc son fer. Un sol bien aéré le garde sous forme d'oxydes rouges.

Lire le diagramme de Hjulström

On place le couple taille et vitesse, on lit le domaine, puis on précise l'état initial du grain :

• un grain au repos doit franchir la courbe d'arrachement.
• un grain déjà en mouvement doit seulement rester au-dessus de la courbe de dépôt.

Mini-exemple. Un silt de 20 µm dans un courant de 30 cm·s⁻¹ reste transporté s'il est déjà en suspension. En revanche, il n'est pas arraché d'un fond vaseux cohésif.

Schéma bilan de l'altération

Au centre, on place la roche mère et ses minéraux. Trois flèches en partent :

• vers le haut, l'altération physique (fragments de même composition).
• vers la droite, les solutés exportés (cations lessivés, silice, hydrogénocarbonate).
• vers le bas, les produits résiduels (quartz hérité, argiles néoformées, hydroxydes).

Chaque flèche porte un processus et un facteur de contrôle.

Sujets classiques traités

Choisis ton niveau. Difficulté indicative ; les exercices qui se suivent restent dans l'ordre.

Erreurs fréquentes