E12 Géochimie de surface et altération

Topique

L'altération est la désintégration et la transformation chimique que subissent les roches au contact de l'atmosphère, de l'eau et des organismes vivants. Ce même processus produit la matière qui deviendra plus tard le sol, libérant dans le système hydrologique les nutriments et les cations que ces roches avaient emprisonnés.

L'altération physique – la fragmentation due aux cycles de gel-dégel, aux contraintes thermiques répétées ou à la cristallisation des sels dans les fissures de la roche – augmente la surface spécifique de celle-ci. C'est précisément cette augmentation de surface exposée qui accélère l'altération chimique, car la surface rocheuse disponible pour réagir avec l'eau est alors beaucoup plus importante.

Cette altération chimique comprend trois types de réactions : l'hydrolyse, la plus importante, qui dissout directement les silicates de la roche par l'eau ; l'oxydation, qui décompose les minéraux contenant du fer sous sa forme ferreuse ; et la carbonatation, qui dissout les minéraux carbonatés grâce au dioxyde de carbone dissous dans l'eau.

Une fonction de production de sol stipule que la vitesse à laquelle la roche se transforme en sol diminue de façon exponentielle avec l'épaisseur du régolithe sus-jacent : les roches les plus exposées, sous une fine couche de sol, s'altèrent beaucoup plus rapidement car l'eau et le dioxyde de carbone provenant du sol y ont un accès bien plus important. Lorsque le système atteint un état d'équilibre, le taux de production de sol est égal au taux d'érosion, et c'est précisément cet équilibre entre les deux qui détermine l'épaisseur de sol que la pente maintient de façon stable.

Le cycle des nutriments à la surface de la Terre — azote, phosphore, potassium et calcium — comprend quatre étapes successives : la libération de ces nutriments par l'altération elle-même, leur assimilation par les organismes vivants, leur retour au sol lors de la décomposition de la matière organique et leurs pertes finales par lessivage vers les eaux souterraines.

La charge dissoute transportée par les rivières reflète précisément l'intensité de l'altération chimique au sein de leur bassin : les rivières drainant des bassins à lithologie silicatée facilement altérable, comme les granites ou les basaltes, présentent une concentration en calcium, sodium, potassium, magnésium et bicarbonate dissous plus élevée que les rivières drainant des bassins sédimentaires carbonatés. Dans ces derniers, les carbonates, bien que plus solubles, se dissolvent presque complètement au contact de l'eau, limitant ainsi l'enrichissement de l'eau en aval.

Le comportement attendu de ce système se traduit par une corrélation négative entre le taux d'érosion physique, qui expose de nouvelles roches, et la concentration en solutés dissous dans l'eau, laquelle reflète la durée du contact entre l'eau et la roche avant son écoulement. Ainsi, de la désintégration de la roche avec laquelle commence ce document à la corrélation négative avec laquelle il se termine, en passant par l'accélération que l'altération physique donne à l'altération chimique, la fonction de production du sol et le cycle des nutriments, l'altération et la géochimie de surface font de la composition chimique de chaque rivière une lecture indirecte de la durée pendant laquelle l'eau et la roche de son bassin ont dialogué.

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