Formation et propriétés de sols du bouclier guyanais

1. Formation et propriétés de sols du bouclier guyanais Bruno FERRY FTH 2007

2. dénivelées Contexte géomorphologique de la sortie de ce matin G3 : surface tabulaire et très faible dénivelée G2 : petites collines Kourou

3. 3 Roche altérée 1 2 Structure entièrement héritée de la roche mère. Limon et argile abondants. Couleurs très variées. 1 Domaine tacheté 2 Structures discordantes avec celles de la roche. Taches de taille cm à dm. Couleurs vives : jaune, rouge, blanc (noir). 3 1 2 Domaine supérieur bioturbé 3 3 Couleur de la terre fine uniforme par horizons, brun-jaune vif à blanc. Bonne perméabilité. 1 2 Pédogénèse Distinction de 3 domaines (horizons)

4. Couleurs très variées, selon les minéraux d ’origine. Structure de la roche reconnaissable. Saprolite : Lithomarge : Isaltérite : roche pourrie roche fondante roche transformée à volume conservé Pédogénèse Roche altérée Roche altérée Gneiss altéré Gneiss

5. Eau de surface Nappe phréatique Roche mère Formation dans la nappe retenue par la roche Saturation totale et permanente de la porosité Renouvellement lent  solution relativement peu agressive chimiquement Pédogénèse Roche altérée Conditions de formation de la saprolite

6. Hématite Fe Gœthite Fe Na, Ca, Mg, K, Si Pédogénèse Roche altérée Altération d’un granite Minéraux hérités Quartz Si Minéraux primaires Mica blanc Si, Al, K Quartz Si Mica blanc Si, Al, K Feldspaths Si, Al, Ca, Na, K Minéraux secondaires Mica noir Si, Al, Fe, Mg Kaolinite Si, Al Gibbsite Al Eléments solubilisés drainage

7. Domaine tacheté Pédogénèse Très dur, très riche en fer (surtout hématite) Cuirasse ferrugineuse Meuble, un peu enrichi en fer (surtout goethite) Argile tachetée Le domaine tacheté Couleurs rouge et jaune vifs (+ blanc, noir) Structure tachetée (cm-dm), au moins en partie discordante avec celle de la roche Grande diversité des faciès

8. Domaine tacheté Pédogénèse Eau de surface Nappe phréatique Formation conditionnée par Roche mère Des alternances d’engorgement et de dessication Une porosité hétérogène Conditions de formation des taches

9. Domaine tacheté Pédogénèse Dessication Humidité max min Mécanismes à l ’origine des taches Porosité hétérogène porosité large (F > 10 µm) porosité fine (F < 10 µm) Alternances saturation - dessication Flux d'eau gravitaire Saturation capillaire Réduction, mobilisation Précipitation, cristallisation Fer évaporation + diffusion

10. Domaine tacheté Pédogénèse Climat tropical à saisons contrastées Climat tropical très humide Bauxites Ecologie des horizons indurés Fe Si/Al Al Désilication pluviosité forte + bon drainage. hématite kaolinite gibbsite goethite Hydratation Cuirasses ferrugineuses pluviosité forte ou nappe proche

11. Domaine tacheté Pédogénèse cuirasse ou bauxite massive cuirasse ou bauxite démantelée traces de cuirasse démantelée Bauxites et cuirasses dans le paysage Des horizons indurés très anciens, très riches en fer (cuirasses ferru-gineuses) ou en aluminium (bauxites), arment les sommets des reliefs Bauxite (40-50 Ma) 200 160 altitude (m) 120 Cuirasses ferrugineuses (5-10 Ma) 80 traces de cuirassement 40 0 0 200 400 600 800 1000 1200 distance au sol (m) D’après Paget (1999), Théveniaut et Freyssinet (2002)

12. Domaine bioturbé Pédogénèse Le domaine supérieur bioturbé Couleur uniforme, le plus souvent brun à jaune (+/- rougeâtre), parfois gris, voire blanc. Texture : argile - sable (sans limon) Brun Jaune Gris Blanc Jaune Rouge Grande diversité des faciès

13. Eau de surface Nappe phréatique Formation conditionnée par Roche mère Une forte influence de l’activité biologique et des apports organiques Une agressivité renforcée des agents chimiques d’altération Domaine pédoturbé Pédogénèse Conditions de formation

14. Domaine pédoturbé Pédogénèse Remontées biologiques Remontée des éléments assimilés par les arbres, via la litière (N, P, K, Ca, Si…) Altération chimique renforcée Agressivité chimique des solutions Acidité (organique, CO2) Pureté en silice M.O. complexante (Fe, Al) Fort potentiel réducteur en cas d ’engorgement

15. Hématite Fe Gœthite Fe Dissolution Cristallisation Taille décroissante des feuillets de kaolinite limon --> argile Si Pédogénèse Domaine pédoturbé Poursuite de l ’altération Minéraux hérités Minéraux secondaires Quartz Si Mica blanc Kaolinite Si, Al Si, Al, K Gibbsite Al Eléments solubilisés K, Si drainage

16. Domaine pédoturbé Pédogénèse Couleur homogène Brassage et aération Fourmis, termites, tatous... Chablis Vers de terre Racines Bioturbation du sol

17. Pédogénèse Domaine pédoturbé • Macrostructure grumeleuse, due à l ’activité des vers de terre • Porosité tubulaire due aux racines • Structure microagrégée, caractéristique des très vieux sols ferrallitiques • Bonne perméabilité • Bonne réserve utile en eau Origine ? (1) la division-dissolution de restes de cuirasses (2) boulettes de termites microagrégats (Ø : 100 µm - 1 mm) Structuration

18. Domaine pédoturbé Pédogénèse Gravillons de cuirasse riches en hématite + cortex de goethite Front de transformation centripète Photos de Peterschmitt (1993) Démantèlement de la cuirasse ferrugineuse Du rouge au jaune jaune Front de transformation vertical, vers le bas, de l’hématite en goethite rouge

19. Domaine pédoturbé Pédogénèse goethite alumineuse Du rouge au jaune • Dissolution progressive de l’hématite en saison humide • Re-cristallisation du fer en goethite (alumineuse) Oxydation Réduction hématite Fesoluble Hydratation Milieu acide Alsoluble • Bilan net : hydratation : goethite = hématite + eau + aluminisation partielle

20. Domaine pédoturbé Pédogénèse MO MO MO Complexe argilo-humique MO MO MO Fe Fe MO kaolinite kaolinite kaolinite MO kaolinite kaolinite Fe Fe MO Fe Fe Fe kaolinite kaolinite kaolinite kaolinite Fe Fe MO MO kaolinite kaolinite Du jaune au brun humus horizon minéral

21. Domaine pédoturbé Pédogénèse 0-20 cm 20-40 cm 0 40 km Saint-Laurent Cayenne Interactions M.O. - argile Relation entre texture et matière organique (sous forêt naturelle) 4 R2=0,74 3 R2=0,78 Carbone (%) 2 1 Localisation des échantillons 0 Ferry et al. (1997) 0 20 40 60 80 100 Argile + Limon fin (%) Les variations de texture des sols entraînent des variations très sensibles de leur teneur en matière organique.

22. Eau de surface Nappe phréatique Roche mère Domaine pédoturbé Pédogénèse Conditions de formation Rôle majeur de l ’efficacité du drainage Bon drainage --> conditions oxydantes Mauvais drainage --> conditions réductrices

23. Domaine pédoturbé Pédogénèse Humus noir et blanc Horizon d ’éluviation Horizon tacheté Saprolite Du jaune au gris Bas de pente : décoloration croissante des horizons supérieurs

24. Domaine pédoturbé Pédogénèse Du jaune au gris Décoloration le long d’un transect horizontal, du bord vers le centre d’un plateau Lucas et al. (1987), Veillon (1990)

25. Domaine pédoturbé Pédogénèse • Engorgement prolongé réduction du fer, solubilisé puis déplacé Fe Fe kaolinite kaolinite Fe kaolinite kaolinite Fe Fe Fe kaolinite kaolinite kaolinite kaolinite Fe Fe kaolinite kaolinite Sans fer pour les agréger, les particules de kaolinite sont facilement mises en suspension, et déplacées Fe Fe kaolinite kaolinite kaolinite kaolinite Fe Fe kaolinite kaolinite kaolinite kaolinite kaolinite Dégradation hydromorphe

26. Domaine pédoturbé Pédogénèse Du gris au blanc Podzosol E (éluviation) sable blanc Sol à faible teneur en fer-argile Bh accumulation de M.O. Bs accumulation d’oxydes de fer Lucas et al. (1987), Veillon (1990)

27. Domaine pédoturbé Pédogénèse Quartz Quartz MO MO MO MO Quartz Quartz Fe kaolinite kaoli MO Quartz Quartz kaolinite kaolinite Quartz Quartz Quartz Quartz complexation du fer et de l’aluminium (des kaolinites) par ces acides organiques et entraînement en profondeur MO kaolinite MO MO MO Fe MO Podzolisation MO MO Les acides organiques solubles libérés par la décomposition sont trop abondants par rapport au complexe fer-argile MO MO MO Quartz Quartz Fe kaolinite Quartz kaolinite Quartz Quartz

28. Domaine pédoturbé Pédogénèse Couleurs du sol et pédogénèse Apport de MO Réduction et lixiviation du fer Podzolisation Hématite --> goethite Hématite --> goethite

29. Pédogénèse Dynamique de l’eau et érosion Facteurs du ruissellement : Pente --> vitesse de l ’eau Intensité des pluies et faible infiltration --> débit Facteurs de la sensibilité du sol au charriage : Surface/masse des particules libres Erosion

30. Pédogénèse Dynamique de l’eau et érosion 3200 mm 44% 4% 47% 52% drainage vertical 26% 27% drainage latéral Structure des horizons et drainage S. ma B.v. ECEREX C S. ma B.v. ECEREX F Horizons à structure microagrégée : > 1,2 m : drainage vertical < 0,8 m : drainage latéral D’après Boulet (1983)

31. Pédogénèse Dynamique de l’eau et érosion 60 F (drainage latéral) Exportation annuelle de matières dissoutes 40 Ruissellement (mm) 50 g/m2 20 C (drainage vertical) 0 20 g/m2 0 20 40 60 80 Averse (mm) Ruissellement et érosion Roche (1983)

32. Pédogénèse Dynamique de l’eau et érosion front d’érosion à ECEREX 1,5 - 5 mm/siècle front d’altération 1 mm/siècle Eau de surface Erosion chimique Nappe phréatique Roche mère Enfoncement de la couverture pédologique Erosion mécanique

33. Pédogénèse Dynamique de l’eau et érosion 3 % 65 % 30 % 1 % Exemple de sol rajeuni par l’érosion Graviers Humus Horizon appauvri Domaine supérieur pédoturbé Saprolite rouge violacé

34. Pédogénèse Dynamique de l’eau et érosion charriage de la terre fine en surface 4 remontée de terre fine par la faune du sol enfoncement du cours d ’eau 2 5 érosion régres- sive appauvris-sement en fer 3 6 Scénario plausible d ’érosion régressive Brun-jaune à rouge, microagrégé Jaune à jaune pâle verdâtre 1 Bas-fonds Saprolite et allotérite Ferry et al. (2003)

35. Pédogénèse Régimes hydriques des sols Domaine supérieur bioturbé Domaine tacheté Drainage vertical profond Drainage latéral superficiel Roche altérée Système hydromorphe de bas-fonds Drainage latéral profond Système hydromorphe amont Système hydromorphe de bas de versant

36. Bibliographie Boulet, R. (1983). Organisation des couvertures pédologiques des bassins versants. Le projet ECEREX (Guyane). Analyse de l'écosystème forestier tropical humide et des modifications apportées par l'homme, Cayenne. Ferry, B., Freycon, V. et Paget, D. (2003). "Genèse et fonctionnement hydrique des sols sur socle cristallin en Guyane." Revue Forestiere Francaise 55(Numero Special): 37-59. Ferry, B., Nolibos, I. et Pellet, A. (1997). Mise en place d'un dispositif d'étude de la croissance de Dicorynia guianensis et Eperua falcata sur différentes couvertures pédologiques du domaine forestier aménagé par l'ONF en Guyane. Nancy, ENGREF: 82 p. Lucas, Y., Boulet, R., Chauvel, A. et Veillon, L. (1987). Systèmes sols ferrallitiques - podzols en région amazonienne. Podzols et podzolisation. D. Righi and A. Chauvel. Paris, AFES, INRA: 53-65. Paget, D. (1999). Etude de la diversité spatiale des écosystèmes forestiers guyanais : réflexion méthodologique et application. Nancy (France), ENGREF: 155. Roche, M. A. (1983). Comportements hydrologiques comparés et érosion de l'écosystème forestier amazonien à ECEREX, en Guyane. Le projet ECEREX (Guyane). Analyse de l'écosystème forestier tropical humide et des modifications apportées par l'homme, Cayenne. Theveniaut, H. and Freyssinet, P. (2002). "Timing of lateritization on the Guiana Shield: synthesis of paleomagnetic results from French Guiana and Suriname." Palaeogeography Palaeoclimatology Palaeoecology 178(1-2): 91-117.