Cours de géologie

Le suivi du bilan hydrique des sols est une opération complexe car il n'existe pas actuellement d'appareil simple pour mesurer en routine le volume d'eau du sol. Il y a bien la sonde à neutrons, appareil précis mais d'une manipulation délicate. Son principe repose sur l'émission de neutrons par une source radiol'émission de neutrons par une source radio-active et la réception des particules par les molécules d'eau. La quantité d'eau contenue est fonction du rapport neutrons reçus sur neutrons émis. En étude de routine, on préfère calculer la réserve d'eau du sol à partir des données élémentaires fournies par les stations météorologiques: pluviométrie, température et humidité de l'atmosphère, vitesse du vent, insolation. Le régime des précipitations au cours de l'année est exprimé conjointement avec la température moyenne mensuelle sous forme de diagrammes ombrothermiques. Par convention, l'échelle des température en ° C est doublée par rapport à celle des précipitations exprimée en mm.

Une partie de l'eau qui pénètre dans le sol est évaporée de nouveau dans l'atmosphère soit directement soit par l'intermédiaire des plantes: l'ensemble de ces pertes en eau constitue l'évapo-transpiration. L'évaporation se fait surtout à la surface du sol. Même pendant la pluie, une partie de l'eau est immédiatement ré-évaporée car l'atmosphère n'est pas saturé en eau. Le départ de l'eau superficielle fait remonter l'eau des zones plus profondes. La quantité évaporée diminue avec la quantité retenue dans le sol car les forces de capillarité s'oppose à son départ et l'énergie nécessaire pour extraire l'eau est d'autant plus grande que le sol s'appauvrit en eau. Les forces de capillarité entre les grains et la tension superficielle du film d'eau autour des gains déterminent un potentiel de matrice qui tend à retenir l'eau et qui peut être mesurée à l'aide d'un tensiomètre. La succion du sol dépend de sa texture et de la taille des pores, de la quantité d'eau contenue par rapport à sa capacité de champ (quantité maximale absorbée). Les conditions climatiques sont également déterminantes.

Sous nos climats, l'apport d'eau au sol se fait sous forme de pluie, neige, rosée et brouillard.Toute l'eau des précipitations n'atteint pas le sol: une part est évaporée directement pendant et après la pluie; les gouttes peuvent être interceptées en partie partre interceptées en partie par le feuillage. L'eau qui atteint le sol ruisselle, s'infiltre et réhumecte le sol. Les racines absorbent cette eau que la tige et les feuilles évaporent par transpiration. Une fraction réduite finalement gagne la profondeur et atteint la nappe. Un profil habituel de la quantité d'eau contenu dans une coupe du sol et du sous-sofil habituel de la quantité d'eau contenu dans une coupe du sol et du sous-sol montre une augmentation de la teneur en eau avec la profondeur.

L'eau atmosphérique est constamment recyclée. En effet, la quantité totale d'eau contenue dans l'atmosphère est suffisante pour alimenter en pluie le bassin de l'Amazone en un an: s'il n'y avait pas de renouvellement, le reste du globe serait un désert. Pour une moyenne annuelle de 1030 mm de précipitation, le temps de résidence de l'eau atmosphérique est de 9 jours; le cycle est entretenu par l'énergie solaire.

La planète Terre est surtout recouverte par l'eau des océans qui constituent près de 70% de la surface totale. Cette eau est surtout salée et l'énergie solaire permet le fonctionnement de l'usine de dessalement planétaire qui produit par évaporation et condensation l'eau douce indispensable à l'homme.

L'exploitation des ressources en eau existe depuis les temps préhistoriques: de grands travaux d'irrigation, de protection contre les crûes ont été entrepris chez les civilisations de Mésopotamie, d'Egypte, de l'Indus... sans qu'ait été établie la relation du ruissellement avec précipitation et évaporation. "Tous les fleuves vont à la mer, et pourtant la mer n'est pas remplie" (Ecclesiaste). Les Grecs également s'interrogeaient sur le fait que le niveau de la mer restait constant bien que les fleuves apportent de l'eau continuellement; ils l'expliquèrent par une sorte de remontée capillaire de l'eau de mer vers les sources avec perte du sel. Pour établir le cycle hydrologique, il a fallu connaître les formes d'existence de l'eau dans la nature: océans, rivières, lacs mais également glaciers, sols, air, eaux souterraines. Il a fallu également quantifier les volumes et les flux d'eau. Les premiers bilans hydrologiques ont été évoqués, d'abord de façon inexacte, à la Renaissance: des personnages comme Léonard de Vinci et Bernard Palissy ont réalisé de nombreuses observations et mesures, mais il faut attendre le 17ème siècle pour arriver à une formulation exacte.

Les sols sont des réservoirs d'eau; l'eau est contenue dans certains minéraux, en particulier les minéraux argileux, et dans la matière organique; celle-ci forme notamment des complexes organo-minéraux mal cristallisés qui retiennent l'eau. L'eau des argiles peut être simplement adsorbée à la surface des cristaux; cette eau est mobile et en grande partie disponible pour les plantes (réserve utile). Il y a en plus de l'eau entrant dans la constitution même des minéraux qui ne peut être extraite que par élévation de température au dessus de 100 °C et qui n'est donc pas disponible pour les êtres vivants.

La Terre apparaît comme la seule planète du système solaire possèdant de l'eau à l'état liquide. Cet état n'est possible que par sa distance au Soleil. Sur Mercure, l'eau a été vaporisée et dissociée par le rayonnement ultra-violet du Soleil; l'hydrogène généré a diffusé dans l'espace. Venus, la "planète soeur" de la Terre est plus proche du Soleil, 0,7 U.A.: l'énergie reçue du Soleil est 2 fois plus grande. L'eau a été vaporisée dans l'atmosphère vénusienne ; avec le CO2, elle a produit un effet de serre et augmenté encore la température superficielle de la planète. Le CO2 n'a pu de ce fait se dissoudre dans l'eau liquide pour former des carbonates. Les U.V. solaire ont ensuite dissocié la plus grande partie de la vapeur d'eau en donnant de l'hydrogène qui s'est échappé définitivement de l'atmosphère vénusienne. En revanche, l'atmosphère a gardé plus facilement une partie de son deutérium qui était combiné dans les molécules d'eau lourde; cet isotope lourd a été détecté par la sonde américaine Pioneer. Vénus a pu à son origine contenir autant d'eau que la Terre; elle n'a plus maintenant qu'une faible quantité de vapeur qui correspondrait à une couche superficielle de 0,20 m à l'état liquide.

Après la synthèse dans les étoiles géantes rouges, les molécules d'eau se retrouvent donc dans certaines zones bien particulières, avec l'oxygène atomique O et le radical OH, qui résultent d'une dissociation de H2O par collision avec d'autres molécules du gaz ou par le rayonnement ultra-violet; on trouve en outre des molécules de O2, CO, CO2, des composés du silicium et peut-être des oxydes d'autres métaux. L'eau à l'état solide est facilement détectée grâce à une signature spectrale caractéristique: une bande d'absorption dans l'infra-rouge à 3,1 µm. L'eau à l'état de glace a pu être mise en évidence d'abord à la surface et à la périphérie d'étoiles de température peu élevée, puis dans les nuages moléculaires interstellaires. La présence d'eau dans les nuages circumstellaires de certaines étoiles trés jeunes est considéré comme un indice de formation de système planétaire.

La simple molécule d'eau H2O est formée par l'association d'un élément primordial, l'hydrogène, issu du "big bang", et de l'oxygène produit dans les étoiles. Ces deux atomes se sont unis dans les zones plus froides, à l'abri du rayonnement ultra-violet destructeur des molécules.

Une des questions qui a préoccupé l'Homme depuis qu'il a commencé à explorer son Univers, c'est l'âge de la Terre. Comme on l'a vu à la section 1, les Anciens avaient une conception toute fixiste de la surface de la Terre: océans et continents ont toujours occupé une position fixe durant toute l'histoire de la planète. On croyait que la Terre s'était formée par une série de grandes catastrophes rapides et qu'elle avait ainsi acquis la physionomie qu'on lui connaît aujourd'hui : océans, continents, volcans, lacs et montagnes avaient été dessinés une fois pour toutes! La Bible a repris le relais de cette conception avec l'idée de la Création en six jours (une sorte de catastrophisme-créationisme). Cette vision de la formation de la Terre a dominé les esprits jusqu'au 19ième siècle.

La question de l'origine de la vie est une question qui touche la corde sensible, les entrailles de l'Homme; elle s'adresse directement à son émotivité et à sa subjectivité. Tenter de comprendre la structure atomique d'un minéral ou de définir les paramètres de la fusion partielle du manteau ne relève pas des préoccupations métaphysiques de l'Homme. Mais s'attaquer à un problème comme l'origine de la Vie, c'est trop souvent tenter de concilier science, religion, mythes et croyances de toutes sortes, un exercice pour le moins périlleux.