24804

Granulomtrie, porosit et spectre poral de sols dvelopps sur formations dtritiques

Cas des terrasses alluviales de la Sane

Jean CHRETIEN (1) et Georges PEDRO (2) avec la collaboration technique de Dominique MEUNIER (1)

(1) INRA-SESCPF - Station dAgronotnie, 17 rue Sully 21034 Dijon Cedex. (2) Laboratoire des Sols - CNRA - Route de St-Cyr 78000 Versailles

RSUM

Cette tude conduite partir de 5 profils de sols dvelopps sur les terrasses fluviatiles de la Sane et formant une squence texturale entre un ple sableux et un ple limoneux, a permis de mettre en vidence les relations existant entre les caract&istiques granulomtriques des matriaux et celles de leur systme poral, porosit et spectre poral.

Deux types de comportement se dkgagent suivant quil sagit de matriaux fraction granulomtrique dominante, caract&ist!e par une famille de pores galement dominante ou bien de matt+iaux granulomtrie &quilibrke o le syst.?me parai est largement diversifi.

Dans les deux cas, toutefois, la composition granulomtrique des matriaux a davantage dincidence sur les caractristiques dimensionnelles du systeme poral que sur les valeurs de porositk qui sont assez peu difft!rencit!es.

Enfin, sur le plan pdologique, Iilluviation dargile dans ces sols caractre lessiv se traduit toujours par une fermeture de la porositk dans les horizons Bt, essentiellement par diminution de la taille des pores.

MOTS-CLS : Sols alluviaux - Porosit - Granulomtrie - Lessivage.

ABSTRACT

GRANULOMETRY, POROSITY AND ~ORAL SPECTRUM OF SOILS DEVELOPED ON DETRITAL FORMATIONS. CASE OF THE SAONE ALLUVIAL TERRACES

This study has been carried out from five profiles of soils which have developed on the Sane fluviatile terraces and have formed a textural sequence between a sandy material and a silty material. It has emphasized the connec- tions between granulometric characteristics of materials and those of their poral system : porosity and poral spectrum.

Two types of pattern cari be observed depending on whether we are faced with materials in which granulometric fractions prevail ; in which case the materials are characterized by an equaily prominent poral family ; or with materials with balanced granulometry where the poral system is widely diversifed.

In both cases, however, the materials granulometric composition has more influence on the dimensional characteristics of the poral system than on the porosity features which are not much differentiated.

Finally, from a pedological point-of-view, the clay illuviation in the leached soils lead to the closing of porosity in Bt horizons, essentiaily through a decrease in size of the pores.

KEY WORDS : Alluvial soils - Porosity - Granulometry - Leaching.

Cah. ORSTOM, sr. Pdol., vol. XXIII, no 1, 1987: 43-54 43

J. CHRETIEN, G. PEDRO

INTRODUCTION

Comme tout milieu caractre discontinu, le sol peut tre considr comme un assemblage de pleins et de vides, lorganisation des uns conditionnant les caractristiques des autres. Les pleins sont constitus par la phase solide, squelette et plasma (argile + substances organiques et collodales diverses). Les vides occups par les phases liquides et gazeuses reprsentent le systme poral, sige des phnomnes de transfert, dont limportance est vidente sur le plan du fonctionnement physico-hydrique des sols. De ce fait, de nombreux travaux de recherche ont t consacrs aux relations existant entre les caractristiques granulomtriques des matriaux et leur porosit dorganisation. Toutefois, la plupart dentre eux ont t effectus sur des matriaux modles ; association de particules de diverses tailles en vue de ltablissement de certaines lois rgissant la porosit des mlanges (YERAZUNIS eC al., 1965 ; HENIN et ai., 1970 ; STAPLE, 1975), ou association squelette - argile (FIES, 1978) mettant en vidence le rle de la forme du squelette (CHRETIEN,. 1979). Ces travaux nabordaient gnralement que laspect quantitatif de la porosit. Plus rcemment, ltude de lorganisation des matriaux naturels a t entreprise et les aspects qua- litatifs de lespace poral, ont t envisags, notamment par la dtermination des spectres de porosit en porosimtrie au mercure (FIES, 1983, 1984 ; CHRETIEN, 1986 ; BRUAND, 1986 ; GRIMALDI & TESSIER, 1986) et par lanalyse dimages (JONGERIUS & BISDOM, 1981 ; MURPHY et al., 1977, 1984 ; CHRETIEN, 1986).

X :Sable pur _ S,

A :Sable limoneux_S2

0 :Limon sableux _ S3

0 :Limon de Citeaux _ S4

0 :Limon de Lonchamp _ S5

0 J w Diamtre

2000 500 200 5020 5 2 (en pm 1

FIG. 1. - Courbes cumulatives des cinq types granulomtriques des matriaux des terrasses de la Saane.

44

Par ailleurs, nous avons pu montrer rcemment (CHRETIEN, 1986 ; CHRETIEN & PEDRO, 1987), que le mode de mise en place des matriaux pdologiques jouait un rle important sur le plan de lorganisation des sols et notamment des caractres de leur porosit. Ainsi dans les sols sur arnes, les processus daltra- tion des roches sont & lorigine du systme poral des sols, alors que, dans les sols sur matriaux dtritiques qui proviennent dune mise en place de nature hydraulique, celui-ci rsulte spcifiquement des caractristiques dimensionnelles des constituants puisque leur forme est toujours de type sub-arrondi (CHRETIEN, 1971).

Cest dans ce second cas que nous nous situons ici, lobjet du prsent article tant de mettre en vidence dans un milieu gographique reprsentatif et pour des sols bien typs, les relations qui peuvent exister entre la granulomtrie des matriaux naturels et les caractristiques de leur espace poral.

MATRIAUX DETUDE : DESCRIPTION ET CARACTRISTIQUES DE LA SQUENCE TEXTU- RALE DE SEURRE

Les sols tudis se situent dans le cadre de la plaine de la Sane, unit structurale septentrionale de lancienne dpression de Bresse effondre IOligocne et comble par des formations fluvio-lacustres. Au cours des priodes quaternaires, les variations du niveau de base de la Sane ont entran par alternance de creuse- ment et de comblement la formation de terrasses embo- tes, dont les plus anciennes sont constitues de faon trs constante par des limons fortement volus, tandis que les plus rcentes de nature sableuse se prsentent actuellement sous forme dlots rpartis de part et dautre du fleuve (CLAIR & LENEUF, 1971). Ces deux grands types de matriaux, ple sableux proche de la rivire, ple limoneux plus loign se sont mutuellement

contamins en donnant naissance des types interm- diaires faiblement tris, sable limoneux et limon sableux. Afin de rechercher la porte gnrale de ces observa- tions dans lensemble du bassin versant, une tude conduite partir de 135 profils de sols, subdiviss en cinq types granulomtriques daprs la teneur en sable des horizons A (Fig. 1) a fourni dintressantes donnes sur linfluence de la Sane dans la distribution granulomtrique des matriaux lintrieur de son bassin (MERIAUX et ai., 1971).

Cest dans ce contexte gomorphologique prcis que se dveloppe la squence pdologique et texturale de Seurre (Fig. 2) qui comporte cinq profils appartenant la classe des sols lessivs et correspondant aux types

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Granulom&ie, porositb et spectre poral de sols d&eloppPs sur formations dtritiques. Cas des terrasses alluviales de la SaGne

SANE

Riv.

190m-

l

175m-

Sol brun

faiblement lessive

Terrasses du Val de Saone

/ Formation de S! Cosme

1 Km l J

m Infiltration humifre

w Appauvrissement en argile et en fer

@z Accumulation dargile et de fer

111 Hydromorphie

FIG. 2. - Prsentation schmatique des sols de la squence de Seurre.

granulomtriques prcdemment dfinis. Ces 5 profils, rpartis sur un transect de 3 km perpendiculaire la Sane, ont t choisis dans un mme systme de poly- culture de faon attnuer au maximum les disparits dues aux effets des traitements culturaux. Dans ces con- ditions, cette squence, dont les caractristiques granulomtriques figurent au tableau 1, nous a sembl tre un modle naturel in situ, tout fait opportun pour conduire une recherche sur les relations granulomtrie - porosit dans les sols.

MTHODES UTILISES

Ltude quantitative de la porosit des matriaux naturels a t ralise sur chacun des horizons de ces 5 sols deux chelles dapproche et par deux techniques diffrentes dont la mise en uvre a t expose en dtail dans une prcdente publication (CHRETIEN, 1986).

- la densit de solide a t mesure, en double, ii laide dun pycnomtre a eau de REGNAULT ; - la densit apparente a fait lobjet de deux types de dterminations : l mesure de la densit apparente in situ par la technique du densitomtre membrane dans laquelle le volume de sol analys est de lordre du dm. Pour chacun des horizons, 3 mesures ont t effectues, la valeur moyenne obtenue reprsente la densit apparente de lhorizon qui a permis de calculer sa porosit totale ; l mesure de la densit apparente sur mottes sches au laboratoire par une mthode densimtrique (MAERTENS, 1965) sur des chantillons de 15 20 cm prlevs sur le sol en place pour chacun des horizons puis schs lair. La valeur moyenne obtenue a partir de 3 chantillons permet de calculer la porosit? de mottes.

Mesures densimtriques de la porosit Porosimtrie au mercure

La dtermination de la porosit dun matriau nces- La technique de porosimtrie au mercure dont le

-60

-60

site la mesure de deux grandeurs : sa densit de solide (ou densit relle) et sa densit apparente. Dans cette tude :

Cah. ORSTOM, S~!T. Pedol., vol. XXIII, no 1, 1987 : 43-54 45


TABLEAU 1

Caractristiques granulomtriques et valeurs de porosit des sols de la squence de Seurre

Porositb en indice Prof. Granulombtrie 4 des vides e

Sols Echantillons en cm Texture SG SF LG LF A totale mottes mercure

SEURRE 1 AP SI1 O-25 51,2 21,9 1,9 1,4 5,6 S 66.2 54.2 Aiz S12 25-50 54,9 28.5 6.6 6,l 3.9 SS 67,5 62,6 33,l Aa, SI3 50-70 62.2 26.3 3.6 3.4 4.5 SS 75.6 66,5 AZ2 SIa 70-90 62.2 30.2 3.5 2,3 1.8 SS 75.2 64,6 36.0 Bt Sia 90-120 40,5 25,6 7.9 13,4 I2,6 Sa 53,5 44.8

SEURRE 2 AP s!z1 O-30 27,7 34,6 18,l 11,2 8.4 Sl 64,3 52,0 AZ SZZ 30-50 29.2 38.5 12.2 11.7 8.4 S 63.9 52.0 47.1 A3 S23 50-70 23.6 33.9 17,7 14.8 10,O Sl 60.4 43.3 B1 SZ4 70-90 20,3 28,l 20,O 13.6 18.0 Sa1 54.4 44,9 35,5 BP, Sza 90-100 16,2 29.1 18.9 14.8 21.0 Sa1 56,4 42,l

SRURRE3 AP 531 O-27 14,6 33.5 29.3 15,7 6,9 LS 74.6 52.1 AP Sa2 27-55 21.3 28.1 20.4 18.9 11,3 Lsa 64.5 50,4 41,2 AzBg S33 55-75 19,9 25,2 19.7 19.3 15,9 Lsa 58.4 48,3 Btg .%a 75-90 18,0 24,6 19,3 16,9 21.2 Las 61,l 48.9 38,7 Bt. S3J 90-110 18,O 25,l 18,8 17.0 21.1 Las 54.8 41,6

SEURRK 4 AP SI, O-28 11,2 28,0 27,0 23,3 10.5 Ls 60,l 45.1 Azg Sa2 28-45 9,4 23,2 25,3 25,0 17.1 Lsa 61.5 49.0 444 AzB. Sa3 45-70 9,9 20.0 24,l 28.2 17.8 Lsa 60,7 49.2 BPlP Saa 70-90 6.2 8.2 I4,8 42,8 28.0 Las 67,l 54,7 49.5 83. Sqa 90-110 10.1 14.9 26,7 25.4 22.9 Las 58.0 44,7

sRuRRF.5 AP SS, O-25 6.2 23.3 23.4 31.5 15.6 Lsa 90,l 58,0 Ar. SS2 25-40 8.5 18,6 19,4 33,6 19.9 Lsa 65,6 54.5 51,4

IIBI. S.3 40-50 1.8 14.5 20,l 24.6 39.0 Als 71,5 50,2 IIBzrg Saa 50-95 3.2 10,0 17,9 25,8 43.1 A 72,3 48,3 42.6 IIBa,, S!J!! 95-110 5,) 12.1 18,3 25.5 38.8 Als 51.5 43.0

principe a t prcdemment expos (VACHIER et ai., 1979) permet de caractriser le systme poral dun chantillon sec dont la taille est proche de 1 cm par deux types de donnes : - des courbes dintrusion du mercure dont les ordon- nes maximales expriment les valeurs de la porosit au mercure ; - des courbes de rpartition du volume poral en fonction de la taille des pores, exprimes par leur rayon quivalent, ou spectres de porositk. Avec lappareil utilis, cette technique ne prend en compte que les pores de rayon quivalent compris entre 3,s nm et 70 pm.

RSULTATS

Courbes de porosit

Les rsultats chiffrs de lensemble des mesures de porosit figurent au tableau 1. Ils ont t exprims

46

en indice des vides (vod ratio) :

e = _ x 100 = Dr-l - vs Da

avec : V, = volume des vides Dr = densit relle Vs = volume de solide D, = densit apparente

Ce mode dexpression a t prfr celui de la porosit

V p = v, + v,

car il se rfre une seule phase fine du systme, le volume de solide.

Pour permettre des comparaisons entre ces diverses donnes, la reprsentation graphique est plus expressive.

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Granulom&rie, porosit et spectre poral de sols dvelopps sur formations dtritiques. Cas des terrasses alluviales de la Sane

Elle conduit des courbes de porosit qui matriali- sent les valeurs de porosit a diffrents niveaux de pro-

fondeur correspondant chacun des horizons des sols de la squence (Fig. 3).

4(

6C

SC

1oc

P.cm

AP

A2

Bt

a) Porosit totale

B3

x : S, : sable pur

A: S2: sable limoneux

0: SS: limon sableux

0: S4: limon

l : S5: limon/argile

FIG. 3 .- Courbes de porosit des sols de la squence de Seurre.

b)Porosit de mottes

60 60 e

/

POROSIT TOTALE

Lexamen des courbes de porosit totale (Fif. 3a) permet de dgager les points suivants, la prcision des mesures tant de lordre de 2 points : - lensemble des courbes est relativement homogne et lon nobserve globalement que de faibles variations de porosit de haut en bas des profils ; - les valeurs de porosit totale sont gnralement pro- ches de 55 65 points et leur amplitude de variation, tous horizons confondus est, une exception prs (S~I),

infrieure 20 points, ce qui est relativement faible compte tenu des importantes diffrences de granulomtrie ; - une analyse, niveau par niveau, soit approximative- ment horizon par horizon, nous montre que : l la variabilit est la plus grande dans les horizons de surface Ap (10-20 cm). Elle dpend avant tout de fac- teurs agronomiques et. culturaux ; l dans les horizons AZ, vers 40 cm de profondeur, on constate un regroupement total des valeurs de porosit

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sur 5 points. Cest l pourtant que la squence texturale des squelettes est la plus nette entre sable et limon en prsence dun faible taux dargile ; l dans les horizons Bt (ou A22 sur le profil SI) de 60 80 cm de profondeur, les porosits se diversifient, mais dune faon peu prvisible. Ainsi, on trouve au mme niveau de porosit ou presque (75 points environ) un matriau caractre typiquement sableux (St) et un autre franchement argileux (SS) ; l enfin, en profondeur, vers 100 cm, une nouvelle convergence se produit au voisinage de 60 points.

POROSIT DE MOTTES

Les courbes de porosit de mottes (Fig. 3b) prsentent dans lensemble une allure gnrale assez compa- rable celles de la porosit totale (prcision des mesures : 1,4 point) : peu dholution de bas en haut des profils, amplitude de variation des valeurs encore plus faible (16 points) si lon excepte St, trs nette convergence en profondeur a un niveau minimal.

Trois aspects, pourtant, en diffrent : - les valeurs de porosit de mottes se situent vers 45 a 55 points. Elles sont donc nettement infrieures celles de porosit totale, la diffrence pouvant tre considre comme une porosit grossire dorigine structurale ; - la porosit des horizons A21 et A22 de SI est trs leve. Elle correspond des matriaux sableux trs pauvres en argile ; - la porosit des horizons Bt de SS riches en argile ne se diffrencie pas de celle des autres matriaux.

En conclusion, il apparat quen dpit des importantes variations dans la composition granulomtrique des matriaux lintrieur dun mme profil, mais galement dun profil lautre, les valeurs de la porosit totale et de la porosit de mottes restent relativement peu diversifies dans ces sols de terrasses fluviatiles. Seuls les matriaux sableux pratiquement purs prsentent des porosits nettement plus leves.

Spectres de porosit6

En raison de la mise en uvre assez lourde de la technique de porosimtrie au mercure, les spectres de porosit nont t tablis que sur 10 chantillons de matriaux constitutifs des deux sries dhorizons les plus typi- ques de ces sols, A2 et B2t. Lexamen de ces spectres conduit aux commentaires suivants :

- Horizons A2 (Fig. 4) SI~ : pic net mais assez large caractrisant une famille de pores centrte autour dun rayon de constriction de 26 gm et stalant entre 5 et 60 pm. Trs peu de pores infrieurs 5 pm. SZZ : pic troit et trs net indiquant une tres forte dominante de pores de rayon voisin de 9 a 10 Fm. Au-del, pas de porosit

48

grossiere. En de une assez forte porosit entre 1 et 5 pm. s32 : large rpartition de la taille des pores avec, toutefois deux maxima, lun bien marqu 1,8 pm, caractrisant une porosit fine comprise entre 0,5 et 2 gm environ, lautre moins accus mais net reprsentant une porosit grossire situe autour de 16 gm. S42 : maximum trs net autour de 0,3 pm caractrisant une famille de pores fins compris entre 0,l et 1 Fm environ. Ss2 : pic trs serr autour de 3 pm stalant vers des pores plus fins jusque vers 0,l pm. Lger maximum de pores grossiers voisins de 50 pm.

e!.e d 1og req

reqz26pm

7 %* %m

S22

n s32 OJpm

-JL s42 3 rn

2 3 4 6 6 10s r.qm

FIG. 4. - Spectres de porosit des horizons A2.

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Granulomtrie, porosit et spectre poral de sols dvelopps sur formations dktritiaues. Cas des terrasses alluviales de la Sane

Deux points importants sen dgagent : 1. Le systme poral de chacun de ces horizons A2

est caractris par une classe dominante de pores cen- tre autour dune dimension bien spcifique. Cette classe est troite pour les sables purs (SI), les sables limoneux (Sz) et les limons (S4 et SS). En revanche, la distribution est beaucoup plus tale et tendance bimodale dans le cas des limons sableux.

2. Chacune de ces classes dominantes est situe autour dune dimension moyenne caractristique de la granulomtrie du matriau et cette dimension est en relation troite avec la taille des particules constitutives.

- Horizons Bzt (Fig. 5) SIS : maximum bien marqut 13 Frn de rayon avec un ta- lement rgulier vers les porosits fines. Su et S34 : distribution autour dun maximum 6 Frn pour S34.

assez rgulire de la taille des pores peu marqu a 2 prn pour S24 et 0,

dyp d bg req

S15

s24

s34

s44

SS4

2 3 4 5 6 mg w(l)

FIG. 5. - Spectres de porosit des horizons Bzt.

Cah. ORSTOM, St+. Pt!dol., vol. XXIII, no 1, 1987: 43-54

SM : pic trs bien individualis & 0,15 pm et peu de pores suprieurs 1 gm. S54 : maximum net 0,5 pm avec une rpartition assez tale de part et dautre laquelle il faut ajouter un lger maximum vers les porosits trs fines (10 nm).

En dfinitive, lexception du profil S4 qui prsente une trs nette classe dominante de pores, les systmes poraux de ces horizons Bt sont nettement plus tals que ceux des horizons AZ.

INTERPRTATION DES RSULTATS ET DIS- CUSSION

De lensemble des rsultats acquis a partir de lexamen des courbes de porosit et surtout des spectres de porosit, il semble se dgager deux types de comportement lis la granulomtrie des matriaux, et suivant que celle-ci prsente une fraction dominante ou bien quelle est quilibre. Nous les analyserons successive- ment avant denvisager le rle de largile illuviale au sein des horizons Bt.

Matriaux fraction granulomtrique dominante

CARACTRISTIQUES DU SPECTRE PORAL La confrontation entre les spectres de porosit (Fig. 4

et 5) et les histogrammes de granulomtrie des horizons correspondants (Fig. 6) nous permet de mieux prciser les deux points importants voqus au chapitre prcdent.

1 er point : lorsquun matriau possde une fraction granulomtrique dominante, son systme poral est lui- mme caract&is par une famille de pores dominante.

Cest le cas dans les horizons AZ pauvres en argile lorsquil sagit de matriaux bien tris suite une mise en place hydraulique comme les sables purs (SI~) o domine largement la fraction sables grossiers , les sables dit limoneux (S22) riches en sables fins et les limons (Ssz) o la fraction limons fins est particulirement abondante. Cest galement le cas dans les matriaux plus riches en argile des horizons Bt quand le squelette, pour une raison dhtrognit du sdi- ment, contient une fraction granulomtrique dominante comme, par exemple, les sables grossiers (SIS) et surtout les limons fins (SM). Ce phnomne mis en vidence ici sur des matriaux naturels non remanis con- firme les rsultats obtenus par FIES (1983, 1984) dans des assemblages argile-squelette o, Li chacun des squelettes sableux et limoneux correspond un systme de pores lacunaires spkcifiques tant que le taux dargile dans les mlanges reste infrieur 30 Vo.

2 point : les familles de pores, caractristiques des matriaux fraction granulomktrique dominante Pr&- sentent une distribution unimodale plus ou moins ser- re dont la valeur du mode est en relation ktroite avec la taille des constituants.

49


Sables grossiers

m Limons grossiers

Argile

%

40-

30-

zo-

lO-

02

Horizons A2

F7l

Horizons Bpt

Sable pur

Seurre 1

Seurre 2

Seurre 3

Seurre 4

Seurre 5

FIG. 6. - Histogrammes de la granulomtrie des horizons AZ et Bzt.

Ainsi, pour les 4 matriaux prcdemment cits, il est En revanche, dans les limons pauvres en argile, ce possible de prciser partir des spectres de porosit les systme poral se situe vers 5 prn, cest-a-dire dans le limites de taille entre lesquelles se situent ces familles domaine de la msoporosit. On peut en dduire gale- de pores (abscisses minimales et maximales de la base ment quil existe, dans ces matriaux bien tris, un rap- des pics), ainsi que la valeur du mode (abscisse du maxi- port approximatif compris entre 1 5 et 1 10 entre mum). Ces donnes figurent dans le tableau II. A noter la taille des pores mesurs en porosimtrie au mercure que les sables des terrasses de Sane bien tris sont pres- et celle du squelette, en particulier du squelette sableux. que totalement inclus dans la fraction 100-500 prn Ces rsultats sont du mme ordre de grandeur que ceux (MERIAUX, 1971 ; CHRETIEN, 1986). obtenus par FIES et al. (1982) sur des assemblages

De faon globale, il apparat que les sables grossiers argile-sables lorsque le taux dargile est de 10 %. En fluviatiles se caractrisent par un systme poral ax fait, en porosimtrie au mercure, rappelons-le, le autour de 50 prn et les sables fins vers 20 prn. Dans les systme poral est caractris par des rayons quivalents deux cas, il sagit donc dune macroporosit grossire. qui reprsentent les rayons des constrictions assurant

50 Cah. ORSTOM, skr. PPdol., vol. XXIII, no 1, 1987: 43-54

Granulotn&rie, porositk et spectre poral de sols dt%eloppks sur .formations detritiaues. Cas des terrasses alluviales de la Sane

TABLEAU II Relations entre taille du squelette et caractristiques dimensionnelles du systme poral

Horizons Squelette (en un) Systme poral (en urn)

Texture Fraction dominante Mode Limites modales

SI 2 S. grossier 200-500 52 10-125

SZ2 S. limoneux 100-200 18 15-25

S0Z Limon 20-50 6 l-10

Saa Limon 2-20 0,3 0.05-1.5

les communications des pores entre eux (VACHIER et al., 1979). Si cette donne prsente un intrt vident dans les phnomnes de transfert, hydrique notamment, elle ne correspond pas aux dimensions relles des pores lacunaires. Cest ce que nous avons constat dans une prcdente tude (CHRETIEN, 1986) laide de lanalyse dimages, technique dont le principe est entirement diffrent et qui permet de mieux approcher les dimensions relles des pores. A titre dexemple, en analyse dimages, le matriau S12 est caractris par une famille de pores domine par la classe 50-100 prn comme en porosimtrie au mercure, mais celle-ci stale trs largement jusqu 500 pm. Ainsi, la taille relle des pores lacunaires est sans doute plus proche de celle des particules constitutives que ne le laisse prsager les rapports obtenus prcdemment.

dont les porosits ltat sec ne se distinguent plus des valeurs moyennes. Ceci est d, comme nous lavons montr prcdemment (CHRETIEN, 1986) au phnomne de retrait qui affecte dautant plus les matriaux que leur caractre argileux est plus accus.

Un point est donc acquis : seuls les matriaux sableux purs, pauvres en argile, prsentent de fortes porosits.

Pourtant, comme il apparat au tableau 1, cette affir- mation est en contradiction avec les rsultats de la porosit au mercure (SI~ et SIS) qui sont les plus faibles de toute la srie tudie. Or, ceci sexplique aiskment si lon considre que dans ces matriaux porosit grossire, une importante fraction de la porosit (SU~. g 70 prn) qui est rellement de type textural , chappe aux mesures.

Sur le plan interprtatif, on peut donc considrer que lorganisation de ces horizons A2 correspond un assemblage de squelette sableux et/ou limoneux dans lequel le schma denrobage des particules propos par FIES (1978) ne sapplique que trs imparfaitement compte tenu de leur faible taux dargile. Quant a la forme des pores, elle apparat sensiblement diffrente de celle quon peut obtenir par des empilements de sph- res (VACH~ER, 1979).

Pour ce qui concerne les autres matriaux fraction granulomtrique dominante, sableux (S22) ou limoneux (S44 et Ssz), un examen attentif des rksultats du tableau 1 met, cependant, en vidence que leurs porosits sont relativement importantes, souvent les plus leves dans chacun des profils respectifs.

Matdriaux h grandomtrie quilibre

CARACTRISTIQUES DU SPECTRE PORAL

VALEURS DE POROSIT

Les courbes de porosit totale ont montr que les valeurs de porosit du sol en place varient relativement peu dun profil lautre et lintrieur dun mme profil en dpit dimportantes diffrences de granulomtrie. Toutefois, deux types de matriaux chappent cette rgle : - les matriaux sableux purs (S12, SI~, S14), - les matriaux argileux (S53 et S54), dont les porosits sont suprieures & 70 points.

Dans la squence de sols tudie, les matriaux granulomtrie quilibre qui correspondent galement selon les normes du diagramme de texture GEPPA aux tex- tures dites quilibres concernent, si lon sen rfre au tableau 1 : - les horizons profonds de Seurre 2 (texture Sa1 : sable argilo-limoneux),

Les courbes de porosit de mottes confirment lensemble de ces rsultats, sauf pour les matriaux argileux

- lensemble des horizons de Seurre 3 et Seurre 4 (texture Lsa : limon sablo-argileux et texture Las : limono-argilo-sableuse), - les horizons suprieurs de Seurre 5 (texture Lsa : limon sablo-argileux).

En fait, parmi ceux-ci, certains comme W et Ss2 pos-

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sdent une fraction granulomtrique dominante, et leur cas a dja t trait au paragraphe precdent, ce qui nous amne a formuler une ire remarque : - La caractrisation dun materiau par sa texture desi- gnee, sur un diagramme de texture, en fonction des pro- portions respectives des 3 principaux constituants argile, limon et sable est tout fait insuffisante pour prvoir laspect de son systme poral. Elle ne permet pas, en effet, de mettre en vidence lexistence dune classe granulomtrique dominante ; celle-ci peut mme passer ina- perue dans lanalyse granulomtrique classique en 5 fractions si son mode est trs marqu, notamment dans le cas des matriaux sableux.

Parmi les matriaux prcdemment cits, il en existe 4 dont les spectres de porosit prsents sur la figure 3 sont trs tals. Il sagit des horizons de type A2 (S32 et S42) peu riches en argile et des horizons de type Bt (S24 et S34). La confrontation de ces spectres avec les histogrammes correspondants (Fig. 6) entrane une 2e remarque : - Lorsquun matriau prsente une granulometrie quilibre sans fraction dominante, son systeme poral est trs largement diversif. Ceci est particulirement net pour les horizons Bt, S24 et S34 o les histogrammes de granulomtrie sont pratiquement plats. On peut remarquer, dans ce cas, que les spectres de porosit sont trs tals autour dun lger maximum situ 2 Frn pour une texture sablo-argilo-limoneuse et A 0,6 pm pour une texture un peu plus fine, limono-argilo-sableuse.

Pour ce qui concerne les horizons A2, S32 et S42, des granulomtries moins quilibres correspondent aussi des spectres moins rgulirement tals, et qui prsentent deux aspects diffrents ; - dans le cas de S32, pour une faible quantit dargile, le spectre prsente un caractre bimodal trs net, dont le le mode ii 16 prn peut tre attribu a la fraction sableuse (50 % de sables dont 28 % de sables fins) et le second 1,8 pm doit correspondre la fraction limoneuse (prs de 40 % de limons) ;

- pour S42, en revanche, le spectre prsente un maximum bien marqu a 0,3 pm quil est vraisemblable dattribuer, dune part au faible taux de sables grossiers et dautre part a une granulomtrie largement domine par les limons et largile (17 vo).

A ce propos, il est intressant de constater quune telle distribution bimodale des pores mise en vidence par FIES (1986) dans des mlanges squelette complexe constitu de 80 % de sables 200-500 pm et 20 % de 2-10 prn associ 10 et 15 % dargile, est galement observe ici pour un matriau naturel de texture limono- sablo-argileuse (S32). Comme hypothse dinterprtation, cet auteur propose de considrer ces mlanges comme

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des assemblages double compartiment poral compre- nant un systme argile - limon avec ses pores lacunaires propres qui entoure les grains de sables en mna- geant son tour un espace poral lacunaire plus grossier. A lobservation des lames minces de sols, cette hypothse se rvle exacte, encore que la ralit des organisations naturelles soit un peu plus complexe.

VLLEURS DE POROSIT Comme nous lavons signal ci-dessus, hormis pour

les matriaux sableux purs, les porosits totales et encore plus les porosits de mottes sont peu diffrencies, quelle que soit la granulomtrie des matriaux. On peut toutefois ajouter que plus on se dirige vers des squelettes complexes, plus les porosits ont tendance diminuer. Cest ce que lon observe, par exemple, dans la srie des horizons AZ, o les porosits de mottes les plus faibles se situent a S32 et S42, l o les granulomtries sont les plus quilibres (tableau 1). Cette tendance a dja t releve prcdemment lors de ltablissement de lois dassociation de particules (HENIN et al., 1970) ainsi que, plus rcemment, pour les mesures de porosi- t texturale dune importante srie de matriaux naturels aux granulomtries trs diverses, dont ceux qui sont tudis ici (CHRETIEN, 1986).

Rle de largile illuviale

Une des particularits de la squence de Seurre, qui a servi de modle naturel de variations granulomtriques des constituants, est que les sols qui la compo- sent, ont tous t soumis a une pdogense conduisant a une diffrenciation des profils de type lessiv. Ce phnomne, de plus en plus accentu du ple sableux vers le ple limoneux, prsente lintrt de permettre une analyse des consquences de lenrichissement en argile dans les horizons profonds sur les caractristiques qua- litatives et quantitatives de leur systme poral.

MODIFICATION DES SPECTRES DE POROSIT

La comparaison entre les spectres de porosit de la srie des horizons A2 et de celle des horizons Bt (Fig. 4 et 5) corrlativement lexamen des donnes granulomtriques du tableau 1 nous permet de faire un cer- tain nombre de constatations :

1. Lenrichissement en argile des horizons illuviaux conduit generalement un aplatissement des spectres de porosit, cest--dire d une diversification du systme poral.

Il nexiste quune exception cette rgle dans les sols tudis, cest le profil S4 pour lequel le mode caractristique est mieux marqu s44 qu s42. Nous en avons dja donn une explication au chapitre prcdent, cest la prsence a S44 dun matriau beaucoup plus riche en limons fins.

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Granulom&rie. porositk et spectre parai de sols dbveloppks sur formations dtritiques. Cas des terrasses alluviales de la Sane

2. Les maxima des spectres de porosit des horizons A2 persistent en gnral dans les horizons Bt mais de faon attnue et leur mode se situe dans tous les cas des dimensions plus faibles.

Ces deux constatations se vrifient dans les matrkiaux fraction granulomtrique dominante, matriau sableux grossier SI o le rayon des pores caractristiques dimi- nue de moiti (26 prn 13 pm) et matriaux limoneux SS oh ce rayon est 6 fois plus petit (3 pm 0,5 pm), en prsence dune forte quantit dargile. Elles se vrifient galement dans les matriaux granulomtrie quilibre (S3) o le caractre bimodal du spectre de porosit est encore visible bien que fortement attnu. Seul d Seurre 2, le pic particulirement net de lhorizon AZ (Szz) disparat totalement dans lhorizon Bt (S22). On peut donc penser que dans ces horizons Bt, largile illuviale qui entoure les grains du squelette de faon plus ou moins rgulire, selon le schma denrobage propos par FIES (1978) et observ dans ses grandes lignes sur des photographies de lames minces de mlanges argile- squelette (CHRETIEN, 1979) et de matriaux naturels (CHRETIEN, 1986), contribue dune part a diminuer la taille des pores lacunaires de lassemblage initial du squelette ou du moins des constrictions entre ces pores et dautre part rendre le systme poral moins mono-dimensionnel.

3. La quantit dargile mise en jeu a une grande importance sur la modification des caractkristiques du systme poral entre les horizons A2 et BI. Dans les grandes lignes, on peut distinguer trois stades : - si lenrichissement en argile est peu important, teneur du Bt de lordre de 10 %, le systme poral lacunaire qui caractrise lassemblage du squelette est assez peu modifi. Cest le cas des sols bruns faiblement lessivs sur sables (SI) ; - si cet enrichissement est plus important et que le taux atteint 20 070 environ, le systme poral est fortement modifi, au point que la famille de pores caractristiques du A2 peut tre trs attnue, voire mme totalement disparatre. Cest le cas des sols bruns lessivs sur sables limoneux et limons sableux (S2 et S3) ; - enfin, lorsque les horizons Bt sont trs argiliques, de lordre de 40 070 ou plus, le systme poral est fortement modifi et il apparat une microporosit propre B la phase argileuse. Cest le eas des sols lessivs sur limon (SS).

CONSQUENCES SUR LES VALEURS DE POROSIT

Sur lensemble des cinq profils tudis, on observe une certaine tendance vers une diminution de porosit, en particulier de la porosit de mottes entre les horizons A2 et Bt. Celle-ci est trs nette dans les sols dominante sableuse (SI et Sz), mais beaucoup moins vidente dans les sols limoneux profil diffrenci (ti et SS). Il apparat cependant que les horizons profonds

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de type B3 prsentent toujours les plus faibles porosits, mais il nest pas exclu que celles-ci rsultent de phnomnes de tassement lis au mode de mise en place des matriaux et plus ou moins indpendants de leur composition granulomtrique. ._

CONCLUSION

Il ressort de cette tude conduite partir dune squence de sols, pouvant tre considrke comme un modle naturel de variations texturales in situ, que la composition granulomtrique des matriaux a beaucoup plus dincidence sur les caractristiques dimensionnelles du systme poral que sur les valeurs de porosit. En effet, hormis le cas des sables grossiers trs pauvres en argile, il est possible daffirmer que la plupart des matriaux dtritiques transports rencontrs dans le milieu naturel prsentent, au sein des horizons sous- culturaux, des valeurs de porosit assez peu diffrencies. En revanche, le systme poral de ces matkriaux est trs largement diversifi et en relation troite avec leurs caractristiques granulomtriques. Ainsi, un matriau bien tri, sableux ou limoneux, correspond un systme poral zi tendance monodimensionnelle o la taille des pores dpend directement de celle du squelette. Au contraire, dans les matriaux texture quilibre, la porosit est caractrise par un trs large tale- ment du systme poral.

Dans une optique plus pdologique, il apparat que les sols de type lessiv marqus par une illuviation plus ou moins intense dargile prsentent une porosit qui se ferme en profondeur, essentiellement par diminution de la taille des pores. Il va de soi que ce phnomne entrane des consquences importantes sur le plan de leur fonctionnement physico-hydrique, mais il ne faut surtout pas oublier que le systme poral des matriaux, tel que nous venons de ltudier dans ses relations avec leur granulomtrie, possde .u-ne composante dynami- que lie aux proprits de gonflement - retrait des minraux argileux dont limportance est capitale. Il fau- dra donc se proccuper dti rle de largile associ au squelette dans les sols dominante sableuse. .~

REMERCIEMENTS

Ils sadressent plus particulirement R. PROST et J. DRIARD de la Station de Science du Sol de IINRA de Ver- sailles pour lacquisition et linterprtation des courbes et spectres de porosimtrie au mercure.

Manuscrit acceptt! par le Comit de RPdaction le 10 juin 1987.

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BIBLIOGRAPHIE

BRUAND (A.), 1986. - Contribution ltude de la dynami- que de lespace poral. Utilisation des courbes de retrait et des courbes de rtention deau. Science du Sol, 24 : 35 l-362.

CHRETIEN (J.), 1971. - Essai de caractrisation des sables en tant que squelette minral du sol. Ann. ugron., 22 (6) : 615-654.

CHRETIEN (J.), 1979. - Etude exprimentale de la porosit de mlanges sables-argile. Aspects micromorphologiques. Science du Sol, no 4 : 333-353.

CHRETIEN (J.), 1986. - R61e du squelette dans lorganisation des sols. Consquences sur les caracteristiques de lespace poral des sols sur arenes et sur terrasses fluviatiles. Thse Univ. de Dijon, 412 p.

CHRETIEN (J.) et PEDRO (G.). 1987. - Importance du mode de mise en place des matriaux p&dologiques dans lorganisation des sols : origine et caracteristiques de lespace poral ( paratre).

CLAIR (A.) et LENEUF (N.), 1971. - La plaine de la Sane. Donnes morphologiques, tectoniques et stratigraphi- ques. Bull. AFES, no 4 : 9-15.

GRIMALDI (M.) et TESSIER (D.), 1986. - Changements de proprits de retrait, de gonflement et de rtention dun matriau limoneux soumis a un compactage dynami- que. Science du Sol, 24 : 319-336.

FIES (J.C.). 1978. - Porosit du sol. Etude de son origine texturale. Thse Univ. Louis Pasteur, Strasbourg, 139 p.

FIES (J.C.) et ZIMMER (D.), 1982. - Etude experimentale des modifications de lassemblage textural dun materiau sablo-argileux sous leffet de pressions. Bull. GFHN, 12 : 39-55.

FIES (J.C.), 1983. - Repartition du volume des pores dans des assemblages argile-squelette diffrents tats hydriques : tude exprimentale et modelisation. Colloque franco-polonais Lublin. Aspects agrophysiques et hydriques de lamlioration des sols , 16 p.

FIES (J.C.), 1984. - Analyse de la rpartition du volume des pores dans les assemblages argile-squelette : comparaisons entre un modle despace poral textural et les donnes fournies par la porosimetrie au mercure. Agrono- mie, 4 (9) : 891-899.

FIES (J.C.), 1986. - communication personnelle.

HENIN (S.), FIES (J.C.) et MONNIER (G.), 1970. - Etude theorique de la porosit des materiaux meubles en fonction de leur composition granulomtrique. CR. Acad. SC. Paris, t. 271 : 1960-1963.

JONGERIUS (A.) et BISDOM (E.B.A.), 1981. - Porosity mea- surements using fhe Quantimet 720 on backscatteied electron scanning images of thin sections of soils. Col- loque IWGSUSM, Wageningen : 207-216.

MAERTENS (C.), 1%5. - Deux mthodes de determination de la densit du sol en place. Leur possibilite dutilisation. Bull. AFES, 8 : 283-293.

MERIAUX (S.), BALLEY (F.) et CHRETIEN (J.), 1971. - De linfluence de la Saone sur la granulomtrie des sols de son bassin. CR. Acad. SC. Paris, t. 273 : 1921-1924.

MURPHY (C.P.), BULLOCK (P.) et TURNER (R.H.), 1977. - The measurement and characterization of voids in soi1 thin sections by image analysis. Part. 1 - Principles and techniques. J. Soi1 Sci., 28 (3) : 498-508.

MURPHY (C.P.) et KEMP (R.A.), 1984. - The over-estimation of clay and the under-estimation of pores in soi1 thin sections. J. Soi1 Sci., 35 : 481-495.

STAPLE (W.J.), 1975. - The influence of size distribution on the bulk density of uniformly packed glass particles. Soi1 Sci. Soc. Amer. Proc., 39 (3) : 404-408.

VACHIER (R.). CAMBIER (P.) et PROST (R.), 1979. - Struc- ture dun milieu poreux : la craie. Ann. ugron., 30 (3) : 247-263.

YERAZUNIS (S.), CORNELL (S.W.) et ~INTER (B.), 1965. - Dense random packing of binary mixtures of sphere. Nature, 107 : 835-837.

54 Cah. ORSTOM, s&. Pdol.. vol. XXIII, no 1, 1987: 43-54

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