Altération (géologie)

En géologie, l'altération est l'ensemble des transformations minéralogiques d'une roche à la surface, lorsqu'elle est exposée aux effets de l'eau. L'altération est donc d'autant plus importante que l'eau est abondante. Elle est une des composantes de l'érosion, qui comprend également la destruction mécanique des roches. Dans certains contextes, les différences avec le métamorphisme de basse pression et basse température peuvent être floues, notamment dans le cas de l'hydrothermalisme.

L'altération des roches granito-gneissiques

Les roches granito-gneissiques sont les principales roches présentes à la surface des continents. Leur composition est celle d'un granite au sens large : quartz, micas, feldspaths, éventuellement amphiboles, pyroxènes, grenats.

Effet du climat

Chaos granitique dans l'Est des monts d'Aubrac (Massif central), région riche en formations de ce type.

L'altération de ces roches dépend en grande partie de la présence d'eau. Elle est donc directement liée à la hauteur des précipitations. L'altération est quasiment nulle dans les déserts secs, comme le désert du Sahara, où l'érosion est purement mécanique. Elle est également très limitée dans les milieux où l'eau liquide est rare, comme c'est le cas en haute montagne ou dans les régions situées au hautes latitudes (climats polaires).

Dans les zones dont les précipitations ne sont pas négligeables, l'altération est importante. On distinguera deux cas majoritaires : l'altération en climat tempéré (moyennes latitudes) et l'altération en climat équatorial.

En climat tempéré

Granite pourri et arène granitique au chaos granitique de Targasonne près de Font-Romeu-Odeillo-Via

Les régions tempérées sont caractérisées par des hauteurs de précipitations moyennes (en général entre 500 et 1500 mm/an) et des températures moyennes (moyennes annuelles de 5 à 15°C), à forte variation hiver-été.

L'altération des roches granitiques dans ces régions est caractérisée par une dégradation partielle des minéraux constitutifs du granite.

• Le quartz est solubilisé, sous la forme soluble Si(HO)₄, mais l'abondance modérée de l'eau et la température faible limitent la vitesse de lessivage. Une grande partie du quartz reste donc présente.
• Les feldspaths sont en général en grande partie dégradés. La forte solubilité des ions K⁺ et Na⁺, notamment, entraîne leur lessivage rapide, et déstabilise la structure cristalline du feldspaths. Cette solubilité est d'autant plus importante que l'eau est acide. L'acidité permet en effet une substitution des cations constitutifs du feldspath (K⁺, Na⁺, Ca²⁺) par les protons H⁺ présents dans l'eau. Comme pour le quartz, la silice est modérément solubilisée. L'aluminium quant à lui, forme avec l'eau le précipité Al(0H)₃, insoluble. Il en résulte la formation de minéraux hydratés très appauvris en cations K⁺, Na⁺ et Ca²⁺, légèrement appauvris en silice, et donc relativement enrichis en aluminium. Ce sont des argiles, notamment celles de la famille des smectites (Si/AL = 2 à 2,4) ou des illites (Si/Al = 1,5)

L'altération est d'autant plus importante que l'eau peut pénétrer profondément dans la roche. Ainsi, elle est favorisée par la présence de fissures, ou diaclases.

Les constituants non altérés (quelques feldspaths, des grains de quartz, mais aussi les muscovites) se retrouvent désolidarisés et mélangés à l'argile d'altération sous la forme d'un sable connu sous le nom d'arène granitique. On peut couramment, dans les régions granitiques, observer la transition entre granite frais, granite en voie d'altération (roche relativement friable) et arène granitique.

Les paysages résultant de l'altération des granites en climat tempéré sont tout à fait caractéristiques, et portent le nom de chaos granitiques. La présence de boules de granite frais en cours d'altération a donné lieu a l'appellation "altération en boules" pour ce type d'altération.

En climat équatorial

Un profil latéritique : transition depuis le bas, un saprolite meuble vers une fine latérite indurée marron, le tout sous un sol latéritique (Inde).

Les régions équatoriales sont caractérisées par des précipitations très importantes (en général de 1 000 à 10 000 mm/an) et des températures élevées et relativement constantes au cours de l'année (entre 20°C et 30°C).

Dans ces conditions, la solubilisation de la silice est bien plus importante qu'en milieu tempéré. Elle donne lieu à un lessivage important du silicium (toujours sous la forme Si(HO)₄) en provenance du quartz, mais également des feldspaths et autres silicates.

Cet important appauvrissement en silicium donne lieu à la formation d'argiles pauvres en silice, comme la kaolinite (Si/Al = 1).

Dans des conditions plus extrêmes (températures et pluviométrie très élevées), le lessivage du silicium peut être quasiment total, ce qui entraine la formation de minéraux ne contenant pas (ou peu) de silicium, mais très riches en aluminium (non lessivé). Ils forment alors une roche connue sous ne nom de bauxite.

Dans sa forme pure, elle est constituée de gibbsite, de formule Al(OH)₃, et de diverses formes de AlO(OH), la boemite et le diaspore. Il est courant que le fer présent initialement sous forme d'impuretés dans le granite s'accumule dans la bauxite. En effet, la forme stable du fer dans les conditions d'oxydation de l'atmosphère est la forme Fe(III), qui forme avec l'eau le précipité (non soluble) Fe(OH)₃.

Les sols de bauxites sont connus sous ne nom de latérites, ou cuirasses latéritiques. Ils constituent en effet une couverture relativement imperméable et indurée.

L'altération des roches carbonatées

Les roches carbonatées sont représentées à la surface de la Terre en particulier par les calcaire (CaCO₃), et secondairement par les dolomies ((Ca,Mg)CO₃). Les carbonates où le cation est n'est ni Ca²⁺ ni Mg²⁺ sont extrêmement minoritaires, et ne seront pas traités ici.

Carbonate de calcium

Dissolution dans l'eau pure

Une pincée de craie dans de l'eau pure ne semble pas se dissoudre. En effet, le carbonate de calcium est très peu soluble dans l'eau pure. Sa constante de solubilité (Ks) à 25°C est en effet d'environ 5.10^-9[1]. On pourrait donc s'attendre à ce que le calcaire ne soit que peu altérable par l'eau.

Dissolution dans l'eau chargée en CO₂

On constate toutefois que la même pincée de craie saupoudrée dans un récipient d'eau gazéifiée se dissout très rapidement. L'explicaton réside dans le fait que l'équilibre CaCO₃ = Ca²⁺ + CO₃^2- (1) est, en milieu aqueux, largement lié au deux équilibres acido-basiques lié au CO₂ :
CO₂ + 2H₂O = HCO₃^- + H₃O⁺ (2)

HCO₃^- + H₂O = CO₃^2- + H₃O⁺ (3)

Selon la loi des équilibres chimiques, chacune de ces réaction est d'autant plus déplacée vers la gauche que l'eau est acide (riche en ions H₃O⁺). Or la réaction (2) (dissolution du CO₂ dans l'eau) produit des ions H₃O⁺ ; l'eau riche en CO₂ favorise donc la solubilisation du carbonate de calcium. Le bilan des deux réactions (dissolution du calcaire et dissolution du CO₂) peut donc s'écrire :
(1)(2)(3) CaCO₃ + CO₂ + H₂O = 2HCO₃^- + Ca²⁺
La constante d'équilibre de cette réaction, à 25°C, est de 4,5.10^-5, soit beaucoup plus élevée que la constante de dissolution du calcaire dans l'eau pure. L'eau chargée en CO₂ a donc un pouvoir de dissolution du calcaire bien plus important que l'eau pure.

Le CO₂ étant, comme tous les gaz, d'autant plus soluble que la température est faible, les eaux les plus froides sont celles qui peuvent contenir le plus de CO₂. Ce fait intéressant permet de prévoir que l'altération des roches calcaires risque d'être maximale dans les régions humides de froides, soient les régions tempérées.

Karst et modelé karstique

Article détaillé : Karst.

Le modelé caractéristique de l'altération des massifs calcaires en régions tempérées est le modelé karstique.

1. ↑ (en) Pradyot Patnaik, Handbook of Inorganic Chemical Compounds, New York, McGraw-Hill, 2003 (ISBN 978-0-07-049439-8) (LCCN 2002029526) [lire en ligne (page consultée le 6 juin 2009)]