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Cours de Physique-chimie Terminale S - Érosion - dissolution - concrétion


Note par nos Maxinautes :  
Objectifs
Étudier les phénomènes d’érosion, de dissolution et de concrétion du point de vue du physicien et surtout du chimiste. Donner quelques conséquences concrètes de ces phénomènes.
1. L'érosion
a. Description générale de l'érosion
L’érosion est un phénomène naturel qui se manifeste par la progressive dégradation des roches. L’érosion peut résulter de l’action, parfois conjuguée, de plusieurs effets, comme :

Effets mécaniques : le matériau est usé par des chocs répétés avec des grains de matière charriés par les vents (érosion éolienne). Aussi, cela peut concerner l’action mécanique de l’eau, par les vagues, les eaux de ruissellement, ou sous la forme de forces de pression et frottements avec l’avance de glaciers.
Effets thermiques : le matériau subit de fortes variations de températures, ce qui entraine une alternance de dilatation/compression, d’où l’apparition de fissures. D’autre part, l’action du gel conduit à faire éclater la roche, via l’augmentation de volume de l’eau infiltrée.
Effets chimiques : des espèces chimiques, dont des acides, vont ronger le matériau.
Effets biologiques : les racines d’arbres peuvent à la longue s’infiltrer dans les roches, ce qui fragilise ces matériaux. Des microorganismes peuvent s’attaquer à la roche.

Néanmoins, la couverture végétale et une couche de terre protègent également les roches des agressions extérieures. Les racines retiennent les sols. Une roche mise à nue est par contre directement exposée à l’érosion. Dans ce cadre-là, l’action de l’Homme n’est pas négligeable (déforestation).

Un premier stade de l’érosion est la fragmentation mécanique de la roche. Le processus se poursuit alors de plus en plus loin dans le matériau. La fragmentation est accompagnée par une érosion chimique. Elle peut se manifester souvent sous la forme d’une dissolution de la roche (partie 2), mais aussi par une oxydation de la roche, son hydratation, etc. Il en résulte par exemple des sols argileux ou de latérites (roches rouges composées d’oxydes de fer et d’aluminium).

L’eau a un rôle important dans les phénomènes d’érosion. Elle agit selon une action mécanique et chimique. Notamment, le atmosphérique dissous confère à l’eau de pluie des propriétés acides (voir fiche sur les pluies acides). De plus, l’eau emporte avec elle les espèces chimiques résultant de la dissolution.
b. Exemple d'érosion chimique d'une roche
Un exemple intéressant est l’érosion d’une roche comme l'anorthite (roche de type silicate) qui est présente notamment dans les montagnes jeunes. La réaction chimique associée s’écrit :


Les produits de la réaction sont emportés par les rivières, y compris la kaolinite (un composant des argiles). Une fois déversés en mer, qui est un milieu basique, les ions hydrogénocarbonate réagissent avec les ions calcium, lors de la réaction de précipitation du calcaire :


La première réaction consomme deux moles de , et la seconde en libère une. En conséquence, en prenant en compte les deux réactions, le processus d’érosion global de l’anorthite est consommatrice d’une mole de . Cette érosion a un rôle indirect sur le climat en faisant baisser le taux de atmosphérique, gaz à effet de serre. Cette observation a expliqué certaines glaciations durant des paléoclimats.
2. La dissolution
a. Eaux de source-salinité des océans
Les eaux de source sont une illustration du phénomène de dissolution. L’infiltration des eaux de pluie dans les souterrains montagneux font qu’elles s’enrichissent en divers ions, par la dissolution des sels minéraux provenant des roches se trouvant en contact avec l’eau. Sur l’étiquette d’une eau minérale, on lit ainsi :
Anions : Bicarbonate (hydrogénocarbonate) , Sulfate , Chlorure, Nitrate , Silice , …
Cations : Calcium, Magnésium, Sodium, Potassium, …
Les eaux des rivières sont légèrement salées de part la présence de chlorure de sodium dissous, même si on les désigne sous le terme d’eau douce. Les ions emportés par les rivières arrivent dans les mers et océans.

Edmond Halley (qui étudia aussi la comète qui porte son nom), émit au XVIIème siècle l’hypothèse que la salinité des océans (voir fiche mers océans climats) est due à ce phénomène. Son hypothèse est valide, même si on a trouvé d’autres sources au chlorure de sodium des océans, et des mécanismes faisant que la salinité de l’eau de mer est stable.
b. Dissolution des calcaires
Le phénomène de dissolution explique la dégradation des sols calcaires. L’attaque du calcaire par les eaux de pluie acidifiées par le est décrite par les réactions successives :






Ce qui s’écrit de même selon la réaction globale :


Il s’agit de la réaction inverse de la seconde réaction vue dans la partie 1. C’est ainsi une réaction limitée, dont le sens d’évolution dépend de la concentration des espèces chimiques participantes, et du pH. En effet, est à la fois un acide et une base (espèce amphotère) ; il intervient dans les couples et :
   
 

Un sol calcaire érodé est qualifié de karst, en référence à une région de hauts plateaux calcaires typiques de Slovénie. L’érosion du calcaire se caractérise par la formation de structures comme :

Les gorges : les torrents attaquent le socle calcaire sur lequel ils s’écoulent, dessinant des vallées très encaissées et pentues.
Les grottes. En progressant dans le sous sol, des cavités souterraines sont creusées dans la roche. L’eau va progresser jusqu’à atteindre une nappe phréatique ou une roche imperméable. Il est courant que l’eau façonne une grotte, puis s’infiltre davantage en profondeur, formant plusieurs étages de grottes.
Les dolines. Ce sont des dépressions circulaires au niveau du sol, résultant de son affaissement. Comme des sédiments se déposent au fond de la doline, elle abrite une végétation plus abondante qu’aux alentours, un sol calcaire étant peu fertile.
Les gouffres. La formation des grottes fragilise le sol qui se trouve au-dessus. Il peut localement s’effondrer et former des gouffres.
3. La concrétion
Le phénomène de concrétion vient après la dissolution des matériaux rocheux ayant subit une érosion chimique. Une concrétion désigne en effet la solidification/précipitation de matériaux dissous, afin de former un dépôt solide.
a. Les évaporites
Si l’eau s’évapore, les espèces chimiques dissoutes peuvent précipiter et former des structures de concrétion. Par exemple, les marais salants, où les ions chlore et sodium constituent le solide ionique formant le sel de cuisine. Le spectaculaire désert salé d’Uyuni en Bolivie résulte de l’assèchement d’un lac préhistorique.

Les roches sédimentaires sont formées également selon ce principe. On peut citer le calcaire , ainsi que le gypse , la dolomite , l’argile, etc. Elles sont désignées sous le terme de roches évaporitiques.
b. Concrétions calcaires dans les grottes
Comme vu à la partie 2, les eaux de pluie dissolvent le calcaire, emportent les ions calcium et hydrogénocarbonate, et s’infiltrent dans le sous-sol. Lorsqu’elles arrivent au niveau du plafond d’une grotte, le dioxyde de carbone dissous passe en phase gazeuse. En conséquence, la transformation chimique

va évoluer dans le sens direct. En effet, le retrait du va entrainer un déplacement d’équilibre de la réaction. Cela conduit à la précipitation du calcaire. Une part de ce calcaire se dépose sur le plafond. A la longue, cela provoque son accumulation : formation d’une stalactite. Cette structure va progressivement s’épaissir et s’allonger en progressant vers le bas.


Comme l’humidité de la grotte est forte, l’eau ne s’évapore pas, les gouttes d'eau tombent sous l’effet de la gravité. Les ions restants précipitent également, ce qui crée une structure sous la stalactite : la stalagmite. Elle va progresser vers le plafond de la grotte, jusqu’à rejoindre la stalactite, et former alors une colonne.

Le calcaire déposé a une couleur blanc/beige, mais si les eaux emportent également des sels métalliques, les stalactites et stalagmites présentent certaines couleurs : rouge en présence d’oxyde de fer, etc.

La vitesse de croissance de ces structures dépend du taux de , de la quantité d’eau et de calcaire apporté, qui varient d’une grotte à l’autre. Elle est dans l’ensemble lente. La vitesse de croissance peut être de quelques centimètres par an pour les plus rapides, mais de 1 cm tous les 1000 ans pour d’autres.
 

L'essentiel
L’érosion est une dégradation progressive d’une roche, résultant notamment de l’action mécanique et chimique de son environnement. L’eau joue un grand rôle dans l’érosion.

L’érosion chimique d’une roche se manifeste principalement par sa dissolution en phase aqueuse. Exemple : eaux minérales, grottes.

La concrétion est une précipitation des ions dissous, afin de former un dépôt solide. Cela peut se faire par évaporation de l’eau (roches sédimentaires) ou par retrait d’un réactif, comme pour la précipitation du calcaire dans les grottes, selon le sens direct de la transformation chimique :



où le est retiré (déplacement d’équilibre de la réaction).
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