ALTÉRATION DES ROCHES

ALTÉRATION DES ROCHES

Le mot altération est pris ici dans le sens restreint que lui attribuent généralement les sciences de la Terre; de ce fait, il sous-entend en réalité «altération chimique des roches dans les conditions superficielles». Ce terme recouvre donc l’ensemble des processus qui traitent des modifications chimiques et minéralogiques subies par les divers types de roches lorsqu’elles affleurent à la surface du globe et qu’elles se trouvent ainsi au contact ou dans la zone d’influence de la biosphère.

Les phénomènes mis en jeu au cours de l’altération, qui ont d’abord été complètement ignorés, puis longtemps méconnus, prennent de plus en plus d’importance. Ils sont, en effet, à la base de la genèse et de l’évolution des sols, étudiées par la science qu’on appelle maintenant la pédologie ; à ce titre, ils intéressent au plus haut point les pédologues et agronomes. Ils sont aussi à l’origine de la formation de certains gisements métallifères de type exogène: aluminium (bauxites), fer, manganèse, nickel, etc., et constituent, de ce fait, une part importante de la métallogénie . Ils sont considérés encore en géologie dynamique et en géomorphologie comme caractéristiques de la première phase du cycle érosion-sédimentation, dénommée phase de la glyptogenèse (E. Haug). Ils jouent enfin, du point de vue pétrographique, un rôle essentiel quant à la formation des roches sédimentaires détritiques ou chimiques (théories de la biorhexistasie de H. Erhart).

1. Nature et définition des phénomènes

Mise en évidence des phénomènes d’altération à la surface du globe

Lorsqu’on parcourt une région quelconque du globe, il est frappant de constater que l’on voit très rarement affleurer en surface les diverses roches qui sont indiquées, par exemple, sur les cartes et documents géologiques des lieux considérés. En général, pour pouvoir les observer, on est obligé de chercher, soit des escarpements naturels: falaises, gorges..., soit encore des travaux de génie civil, tels qu’ouverture de tranchées de voie de chemin de fer, percement de tunnels, creusement de puits... Ainsi, dans la grande majorité des cas, on se trouve à la surface du globe en présence d’une formation meuble, engendrée sur place et masquant uniformément les matériaux sous-jacents. C’est cet «épiderme» qui représente le domaine propre de l’altération dans le milieu naturel.

Caractéristiques générales et domaine de l’altération

À première vue, l’altération superficielle des roches se traduit donc essentiellement par un ameublissement généralisé du substratum rocheux constituant les aires continentales sur une plus ou moins grande épaisseur (jusqu’à 50 m sous les tropiques). Un tel ameublissement peut se concevoir, en réalité, de deux façons différentes:

– Dans certaines régions du globe, caractérisées sur le plan climatique par l’absence d’eau à l’état liquide, il résulte essentiellement d’actions d’origine mécanique qui provoquent un morcellement du matériel initial et une séparation plus ou moins nette des grains constitutifs. La roche perd alors son individualité structurale, sans changer de compositions chimique et minéralogique. C’est ce qu’on a appelé longtemps l’altération physique parce qu’elle découle plus particulièrement de l’action de facteurs physiques; on la désigne aujourd’hui par les termes de fracturation , désagrégation , dislocation , ou encore fragmentation .

– À l’opposé, dans les autres régions de la biosphère où le milieu ambiant est essentiellement humide par suite de la présence d’eau sous forme liquide, au moins pendant une partie de l’année, l’ameublissement superficiel découle principalement d’une dégradation chimique plus ou moins complète des minéraux primaires de la roche (silicates), qui perd ainsi progressivement son individualité minéralogique et qui se transforme dans la masse en donnant naissance à de nouveaux édifices (minéraux secondaires) caractérisés en général par une taille submicroscopique (face=F0019 麗 2 猪m), un aspect cryptocristallin et une structure lamellaire. C’est ce qui constitue le phénomène d’altération chimique , ou tout simplement altération , ou encore décomposition , qui, du point de vue pétrographique, aboutit de la sorte à l’individualisation d’une nouvelle catégories de roches: roches éluviales, roches résiduelles, régolithes... On est donc en présence dans ce cas d’une forme particulière du métamorphisme, une sorte de «métamorphisme de surface», qui fait plus spécialement l’objet de cette étude.

2. Principaux types d’altération. Étude géochimique et cristallochimique

Les divers minéraux constituant le substratum silicaté de la lithosphère ont été engendrés la plupart du temps en présence de conditions endogènes, c’est-à-dire de températures élevées et de fortes pressions. Aussi, lorsqu’elles sont placées en surface, où les conditions de milieu sont très différentes de celles qui ont présidé à leur genèse, ces espèces primaires ne sont plus en équilibre thermodynamique. À plus ou moins longue échéance, elles vont de ce fait avoir un comportement d’édifices instables, leur carcasse réticulaire va se disloquer de telle sorte que les éléments chimiques entrant dans leur constitution vont être peu à peu libérés. Ces éléments peuvent alors avoir, en fonction des conditions physico-chimiques ambiantes, un comportement variable, mais la phase finale de l’évolution conduit inéluctablement à l’édification de nouveaux édifices cristallins, de composition et structure bien définies, qui seront, eux, parfaitement stables au contact de la biosphère.

Au demeurant, si les phénomènes d’altération sont caractérisés d’une façon générale par la mise en jeu de réactions se développant en présence de l’atmosphère (c’est-à-dire d’un milieu oxydant), à basses températures (grosso modo, celles correspondant à l’existence des êtres vivants: face=F0019 漣 30 ^oC à 40 ^oC) et à la pression atmosphérique, les conditions du milieu superficiel peuvent être, à l’intérieur de ces limites, relativement différentes d’un point du globe à l’autre; il existe, en effet, des régions froides et des régions chaudes, des domaines pluvieux et des domaines arides, des stations bien drainées et des stations engorgées, des zones à forte végétation et des zones désertiques... Aussi ne rencontre-t-on pas, à la surface de la terre, un type d’évolution bien déterminé, mais une série de processus d’altération qui conduisent à des matériaux (régolithes) n’ayant ni même composition chimique, ni même constitution minéralogique. À titre d’exemple, le tableau 1 indique la composition chimique des horizons d’altération en provenance de roches appartenant à la même catégorie (basaltes, dolérites, etc.) et développés dans plusieurs régions du globe. On constate aisément que, suivant le type de climat, les régolithes auxquels on aboutit sont de composition fort variée.

Que peut-il donc se produire dans les différents cas, et à quel type de minéraux de néoformation est-on conduit? Grosso modo, on est amené à définir trois situations.

Bisiallitisation

Il peut y avoir, tout d’abord, édification de silicates argileux à structure phylliteuse de type 2/1, c’est-à-dire deux couches de silice (montmorillonite, beidellite, vermiculite, etc.) et caractérisés par la présence d’une certaine quantité de cations basiques (K⁺, Ca²⁺...) en positions interfoliaires. Si l’on prend, par exemple, comme type de minéral primaire le feldspath orthose (c’est une espèce très fréquente à la surface du globe), l’altération peut se représenter globalement sous forme de la réaction suivante:

qui traduit une perte de silice correspondant à un peu plus de 50 p. 100 du contenu initial en Si² et un départ de 80 p. 100 du potassium de l’orthose (ces chiffres ne sont pas immuables; ils dépendent naturellement du taux de substitutions Si-Al dans les couches tétraédriques de l’argile 2/1 néoformée). Ce premier type d’évolution a été désigné par le terme de bisiallitisation .

Monosiallitisation (kaolinisation)

L’altération peut, dans d’autres conditions, aboutir à des silicates phylliteux de type 1/1, soit à une seule couche de silice (kaolinite par exemple), dont les feuillets sont toujours électriquement neutres (absence de cations interfoliaires); c’est ce que traduit la réaction:

Le lessivage de la silice est ici plus important (66 p. 100); quant au départ du potassium, il est déjà total. C’est le processus de monosiallitisation (kaolinisation).

Allitisation

Enfin l’évolution superficielle peut conduire à la genèse d’hydroxydes d’aluminium purs, du type gibbsite Al(OH)³, suivant la réaction globale:

ce qui traduit une perte en Si² et cations basiques (K) correspondant à 100 p. 100. Il s’agit alors de l’altération latérique ou encore allitique (allitisation d’Harrasowitz ). Ainsi, l’altération des silicates et alumino-silicates paraît bien pouvoir se présenter, à la surface du globe, sous différents visages (les différents éléments résultant de cette analyse ont été récapitulés sous forme synoptique dans le tableau 2); on peut dire toutefois que ce genre de phénomène se traduit dans tous les cas par un ensemble de caractéristiques similaires qui permettent de les définir sans ambiguïté par rapport aux autres processus de transformation pouvant affecter les roches de la lithosphère:

– du point de vue géochimique: appauvrissement en silice et cations basiques d’un côté; maintien in situ de l’aluminium des minéraux de départ, d’un autre;

– du point de vue minéralogique: édification de réseaux de type phylliteux , qui sont, soit des silicates argileux (siallitisation), soit des hydroxydes (allitisation);

– du point de vue cristallochimique: modification progressive de l’état de coordinence de l’aluminium; celui-ci, qui est essentiellement tétra coordonné au sein des silicates primaires, devient hexa coordonné, au moins dans sa majeure partie, à l’intérieur de la carcasse des minéraux secondaires. C’est cette évolution:

appelée par J. de Lapparent le «jeu de l’aluminium», qui, en quelque sorte, résume au mieux le problème de la transformation des roches au sein de l’écorce terrestre.

Remarques

1. Il existe encore à la surface du globe un autre type d’évolution que l’on rencontre en général dans les régions boréales et qui se traduit notamment par un départ de l’aluminium et une accumulation de Si² au sein des horizons supérieurs: c’est le phénomène de la podzolisation . Géochimiquement, on peut en effet considérer ce processus comme un quatrième type d’altération; mais comme il résulte obligatoirement d’une attaque, non par l’intermédiaire de l’eau de pluie, mais par des solutions acides et complexantes en provenance de la décomposition biochimique des litières végétales, on a plutôt pris l’habitude de l’intégrer parmi les processus pédogénétiques; il sera donc traité ailleurs à ce titre (cf. PODZOLISATION).

2. Il faut signaler d’autre part que les roches non silicatées, pour la plupart d’origine sédimentaire (calcaires, roches salines...), subissent des modifications physico-chimiques pouvant être considérées comme des formes d’altération; cependant ces modifications, qui font intervenir en général des mécanismes plus simples que dans le cas des silicates (dissolution, hydratation, etc.), sont beaucoup moins caractéristiques des phénomènes superficiels. Leur étude n’est pas développée ici.

3. Conditions générales de l’altération

Action de l’eau: hydrolyse des silicates

Dans le milieu naturel, l’agent fondamental de l’altération est constitué par de l’eau, plus ou moins chargée en gaz carbonique, dont l’origine est à rechercher dans les précipitations atmosphériques; c’est d’ailleurs la raison pour laquelle on utilise souvent la dénomination d’altération «météorique» pour désigner les phénomènes d’évolution superficielle.

On sait que les diverses espèces silicatées sont insolubles dans l’eau, au sens strict du terme (dissolution). Il est possible néanmoins de mettre en évidence une certaine mise en solution par suite du phénomène d’«hydrolyse»: il s’agit en quelque sorte d’une attaque des édifices solides par les ions de l’eau et en particulier les protons qui provoquent la rupture d’un certain nombre de liaisons. Le résultat final apparaît alors toujours sous la forme d’une solubilisation différentielle , du fait, d’une part, de la position, de l’état et de la force de liaison des divers éléments constitutifs au sein du réseau cristallin, et d’autre part, puisque le processus mis en jeu est de type physico-chimique, du comportement que peuvent avoir ces mêmes éléments au sein de la solution environnante, c’est-à-dire du domaine d’existence des ions différents en fonction du pH du milieu en particulier. À cet effet le potentiel ionique d’un élément:

qui est en quelque sorte une mesure de l’électronégativité, permet de prévoir aisément cet état de choses, comme l’indique par exemple le diagramme de Goldschmidt (fig. 1). Ainsi, en milieu hydrolytique, les éléments dont le potentiel ionique est inférieur à 3,0 (cations basiques) ou supérieur à 9,5 (oxyanions et anions condensés) ont la possibilité de passer en solution; à l’opposé, les éléments pour lesquels 3,0 麗 淋 麗 9,5 (cations amphotériques ou cations des hydrolysats) sont précipités alors à l’état d’hydroxydes insolubles et ne peuvent de ce fait être extraits du niveau en voie d’évolution. C’est ce qui permet de comprendre que l’altération hydrolytique des silicates se traduise toujours, comme cela a été précisé plus haut, par un départ en Si² et en cations basiques et par une accumulation des sesquioxydes, Al²³ notamment. Il reste toutefois à expliciter les trois types principaux de l’altération et à envisager à cet effet l’aspect quantitatif des phénomènes, c’est-à-dire à aborder le problème relatif à la mise en solution plus ou moins rapide et plus ou moins complète des éléments extractibles en fonction des conditions générales de l’évolution.

Facteurs de l’altération

Il a été indiqué plus haut que toute roche primaire affleurant en surface se trouvait nécessairement dans un état de déséquilibre thermodynamique et qu’elle devait, de ce fait, évoluer inéluctablement en milieu hydrolytique vers un nouvel état d’équilibre; la variation d’énergie libre qui résulte des réactions éventuelles de l’évolution, et, par là même, la constante qui permet de définir ce nouvel état d’équilibre, dépendent ainsi des facteurs d’action classiques de la thermodynamique: pression, température, potentiel chimique (composition).

Dans les conditions générales de la surface du globe, la pression n’intervient pas, puisqu’elle est constante et égale à l’atmosphère.

La température peut subir quelques fluctuations et agir de ce fait sur les réactions d’hydrolyse en augmentant ou en diminuant le degré de dissociation ionique de l’eau. Mais, comme l’intervalle de variation est fort limité (de 0 à 40 ⁰C), elle ne joue aucun rôle quant à la stabilité thermique des édifices minéraux caractérisant les phénomènes d’altération superficielle: micas, kaolinite, hydroxydes d’aluminium... Tout au plus intervient-elle pour provoquer un léger déplacement des limites de stabilité thermodynamique entre les différentes phases en question.

Quant au troisième facteur, c’est-à-dire le potentiel chimique des constituants, il apparaît alors comme l’élément déterminant de l’altération météorique. En effet, si l’on pose que les réactions d’évolution se produisent, en première approximation, à température et à pression constantes (1 atmosphère, 漣 25 ⁰C par exemple), l’équilibre ne dépend que de la composition du système, c’est-à-dire de la valeur des concentrations affectant chacun des constituants en présence. L’emploi du diagramme de Clapeyron (P, T), qui est si fréquent dans l’étude des phénomènes endogènes, n’a ici aucune utilité; il est possible, par contre, de représenter les équilibres d’altération en portant sur deux axes rectangulaires, soit les potentiels chimiques (diagramme de Korzhinski), soit plus commodément les concentrations (diagramme de Garrels) de deux constituants, tous les autres étant fixés ou maintenus constants. Si l’on traduit ainsi les phénomènes de transformation entre orthose, muscovite, kaolinite et gibbsite, à 25 ⁰C et à la pression atmosphérique, par des réactions simples telles que (1), (2) et quelques autres du même type, ce qui constitue une première approximation, et si l’on admet que l’activité des substances cristallines d’une part, de l’eau ou des solutions très diluées d’autre part, est constante et égale à 1, on peut arriver à déterminer assez grossièrement les diverses constantes d’équilibre et à bâtir, de cette façon, un diagramme en log [K⁺]/[H⁺] et log [Si(OH)⁴] (R. M. Garrels), qui indique le domaine d’existence correspondant à chacune des 4 phases solides considérées (fig. 2). L’examen d’un tel diagramme, aussi schématique soit-il, permet alors de remarquer:

1. que l’on passe du domaine du feldspath à celui des phyllosilicates, puis à celui des hydroxydes d’aluminium (gibbsite), au fur et à mesure que la concentration en silice de la solution environnante est plus faible;

2. que, pour certaines valeurs bien déterminées de la teneur en Si², l’édification de phyllites 2/1 ou de kaolinite dépend essentiellement du rapport [K⁺]/[H⁺], c’est-à-dire du pH et de la concentration en ion K. Pour un pH donné, la genèse de muscovite nécessite ainsi une concentration en cations basiques plus élevée que celle qui correspond à la formation de kaolinite.

En simplifiant les choses à l’extrême, la séquence évolutive à la surface du globe peut finalement se représenter de la façon indiquée dans la figure 3.

Mais ce problème ayant été envisagé dans sa forme théorique, on est amené à se demander quels peuvent être les divers éléments du milieu naturel qui, en dehors de la température dont on a dit un mot plus haut, sont susceptibles d’intervenir directement sur la composition du système réalisé par l’ensemble «phase fluide-édifice solide» et d’imposer, de la sorte, telle ou telle concentration au sein de la solution extérieure.

L’élément fondamental paraît être constitué, à l’heure actuelle et à la lueur d’études expérimentales effectuées depuis quelque temps, par la vitesse de circulation des eaux au contact des minéraux, c’est-à-dire par la vitesse de percolation de l’eau qui draine effectivement à travers l’horizon en voie d’altération. C’est ainsi, par exemple, que plus cette vitesse est grande, plus la silice et les cations basiques sont éliminés rapidement de la phase solide, ce qui explique, en définitive, que les minéraux de néogenèse s’individualisant au sein du milieu éluvial aient une teneur de plus en plus élevée en aluminium (fig. 3). Or, pour un matériel donné, cette vitesse d’infiltration dépend de nombreux facteurs: intensité pluviométrique, température (par l’intermédiaire de la viscosité de l’eau)... notamment, c’est-à-dire de facteurs qui sont essentiellement d’ordre météorologique. On en déduit, dans ces conditions et sans entrer pour autant dans des détails relevant de la climatologie, que la désilicification des édifices silicatés est le plus poussée dans les régions pluvieuses chaudes (réaction type 3) et le moins intense dans les régions humides froides (réaction type 1). C’est ce que veut indiquer très schématiquement la coupe représentée dans la figure 4; on y constate en outre que la répartition mondiale des processus d’altération est de type latitudinal , puisqu’elle suit sensiblement la distribution des zones climatiques qui, comme on le sait, est avant tout sous la dépendance de facteurs cosmiques. Ainsi peuvent être brièvement établies les raisons qui conduisent à admettre l’application du concept de zonalité aux principaux phénomènes d’altération à la surface du globe.

Mais un second élément peut encore intervenir sur la composition du système étudié et, par là même, sur le type d’évolution; il s’agit de la constitution chimique de la roche en voie de décomposition. En effet, on conçoit aisément que, pour une vitesse d’infiltration déterminée, la solution extérieure soit d’autant plus riche en silice, par exemple, que la roche est elle-même plus siliceuse, ou encore plus acide. C’est d’ailleurs ce qui se produit effectivement dans certaines régions tropicales où les roches basiques, type basalte, peuvent subir le phénomène de latéritisation (eaux de drainage très faiblement siliceuses), alors qu’à côté, des roches acides telles que les granites sont simplement marquées par une évolution kaolinisante (eaux à teneur en Si² plus élevée, fig. 2).

La composition de la phase solide, surtout dans les premiers stades de l’altération, n’est donc pas un élément à négliger si l’on veut prévoir correctement le type éventuel de l’évolution mise en jeu.

Vitesse et intensité de l’altération

Il s’agit d’aborder maintenant l’aspect plus strictement cinétique du problème et de rappeler succinctement quels sont les éléments qui peuvent influer sur la qualité de roche réellement atteinte par les phénomènes d’altération au cours d’un temps donné . Cet aspect est donc tout à fait différent de celui qui a été envisagé précédemment et c’est là un fait à souligner car, trop souvent, on a eu jusqu’alors tendance à les confondre entre eux.

La température intervient encore ici directement, puisque la vitesse des réactions mises en jeu au cours de l’altération, comme celle de toutes les réactions chimiques, suit la loi d’Arrhenius et croît exponentiellement avec la température. C’est donc dans les régions chaudes (et humides) que le développement d’un type d’altération donné sera le plus rapide et l’épaisseur de la zone décomposée la plus grande (fig. 4).

Le facteur humidité joue aussi un rôle important, non pas dans son aspect «vitesse de percolation», mais en tant que «volume d’eau pouvant s’écouler en un temps déterminé, l’année par exemple, au contact des minéraux». Il est évident en effet que, toutes choses étant égales par ailleurs, la proportion de roche atteinte doit être d’autant plus forte que le volume de drainage annuel est plus élevé, c’est-à-dire grosso modo que la pluviométrie est plus abondante (fig. 4).

Enfin, la nature de la roche mère doit être prise en considération. Le taux de décomposition dépend tout d’abord de la constitution minéralogique et chimique; c’est ainsi qu’il est d’autant plus important que la roche contient plus de minéraux vulnérables ou encore qu’elle est plus basique. Mais il dépend aussi des caractéristiques architecturales du substratum: structure, texture, granulométrie, état d’ameublissement... qui permettent, suivant les cas, une pénétration plus ou moins aisée et une progression plus ou moins rapide des solutions d’altération. Dans ces conditions, l’intensité de la décomposition sera toujours la moins marquée lorsque le phénomène se développera à partir de roches à la fois acides et compactes.

Cette analyse des phénomènes d’altération ne doit être considérée que comme un simple tour d’horizon des multiples aspects pouvant se présenter à la surface du globe. Il est incontestable en effet, et bien que les processus et mécanismes mis en jeu commencent à être mieux connus, que la majeure partie des indications concernant l’évolution superficielle des roches sont encore aujourd’hui de nature essentiellement qualitative. C’est que, par suite de la complexité des phénomènes et de l’interaction des multiples facteurs intervenant au cours de l’altération météorique, l’étude des formations développées dans le milieu naturel n’apporte la plupart du temps que des données fragmentaires et insuffisamment précises. Aussi un certain nombre de chercheurs (C. W. Correns, S. Henin, G. Sabatier, G. Pedro...) ont-ils été amenés à introduire la méthode expérimentale, basée en particulier sur la technique des «modèles» de laboratoire, et à tenter de la sorte d’aborder le problème dans ses aspects les plus fondamentaux: physico-chimique, thermodynamique, cinétique... Mais le moment où l’on pourra disposer de résultats nets et complets n’est pas encore venu, tant sont nombreux, divers et minutieux les types d’essais à réaliser. On peut espérer toutefois que, grâce à la mise en œuvre de cette méthode, on sera bientôt conduit à édifier une véritable théorie d’ensemble des phénomènes d’altération, c’est-à-dire une théorie qui soit valable à la fois pour tous les systèmes et dans toutes les conditions que l’on peut rencontrer à la surface de la Terre.

Encyclopédie Universelle. 2012.