Rappels Géologiques

Les études, relatives aux encroûtements, menées par les pédologues, géologues et géotechniciens remontent à plus d’un siècle. La définition donnée pour chaque type d’encroûtements et les hypothèses avancées pour expliquer la genèse de ces formations dépendent de la spécialité de l’auteur.

Renou, en 1848, décrit pour la première fois la « croûte » (calcaire) comme étant un « enduit de surface qui recouvre tous les terrains indistinctement, surtout les terrains d’eau douce et les poudingues et qui suit toutes les ondulations de la surface ; il n’y a rien de géologique et le mécanisme de sa formation me parait difficile jusqu’à présent à bien expliquer ».

Ludovic, en 1852, définit cette formation calcaire comme étant « un immense linceul blanc qui recouvre une grande partie de l’Algérie ». Depuis le terme croûte (ou encroûtements) fût étendu à toute formation blanchâtre rencontrée à faible profondeur dans le sol.

Une définition plus élaborée est donnée par le géologue Moret (Moret, 1962) : «Les tufs volcaniques sont des produits de projections volcaniques, lapillis ou cendres, stratifiés par l’action de l’eau». «Les tufs sédimentaires sont des incrustations irrégulières et spongieuses qui se produisent à l’émergence de sources calcaires et qui renferment de nombreux moulages de plantes et de coquilles. Lorsque ces sources s’épanchent dans un bassin lacustre, le calcaire précipite en une fine poudre cristalline qui se stratifie, en couches régulières. La roche est alors plus compacte qu’un tuf et prend le nom de travertin».

Le Dictionnaire HACHETTE, encyclopédique illustré (1997), définissent les tufs comme : «Roche non homogène poreuse, souvent pulvérulente, soit d’origine sédimentaire (tuf calcaire), soit d’origine éruptive (tuf volcanique), agrégat qu’on trouve sous forme de strates grossières, souvent sous une mince couche de terre ». En Afrique du Nord le problème est plus complexe. Les formations appelées, dans le langage courant tufs, sont en vérité des encroûtements calcaires, gypseux ou mixtes, vraisemblablement sous l’influence du mot arabe taffeza articulé teuf en

abrégé, qui désigne les grès friables quel que soit le ciment et peut-être aussi du mot berbère tifkert qui signifie : tartre, croûte (De Os Horta, 1979).

1.1 Définitions des tufs

Dans la bibliographie, les tufs encroûtements se définissent comme étant des formations superficielles, tendres, friables, poreuses, légères et de couleur claire. Elles datent du Quaternaire et résultent d’un certain nombre d’échanges par dissolution et précipitation. Suivant leur composition chimique, les tufs d’encroûtements se groupent en trois catégories : les tufs calcaires, les tufs gypseux et les tufs mixtes (Hamrouni, 1975 ; Ben-Dhia, 1983).

1.1.1 Les encroûtements calcaires

Les tufs calcaires existent dans la plus part des pays du bassin méditerranéen et occupent les zones à climat sec. L’abondance de cette ressource naturelle, fait que leur utilisation comme matériau routier est devenue de plus en plus répandue. Parmi toutes les définitions proposées, on peut retenir celle donnée par :

• Goudie (Goudie, 1988): « La croûte calcaire est un matériau terrestre composé essentiellement, mais pas exclusivement de carbonates de calcium. Les croûtes existent à l’état poudreux, nodulaire ou très induré ; elles sont dues à la cimentation, à l’accumulation ou au remplacement de quantités plus au moins grandes de sols, roches ou matériaux altérés par du calcaire dans une zone d’infiltration ».

• D’après certains résultats (Hamrouni, 1975 ; De Os Horta , 1979 ; Alloul, 1981) : « Les tufs calcaires sont des roches calcaires ayant un Los Angeles supérieur à 60, une masse volumique inférieure à 20 kN/m3, une résistance à la compression simple comprise entre 5 et 10MPA, et dont la teneur en éléments fins passant au tamis de 80 microns, obtenus sur la fraction 0/20 du matériau après extraction, est de l’ordre de 10 à 40 % ».

1.1.2 Les encroûtements gypseux

Les encroûtements gypseux sont des formations analogues aux encroûtements calcaires. Ils sont très abondants dans les régions à climat arides où les précipitations sont insuffisantes pour lixivier le gypse, qui existe déjà dans les formations géologiques anciennes (Crétacé au Miopliocène) (Alloul, 1981 ; Frenkel et al., 1986 ; Schiote, 2003 ; Alfaya, 2004). Ce minéral qui présente l’élément actif de la cimentation de ces formations, possède une dureté très faible : il peut être rayé à l’ongle ; cette particularité pourrait paraître suffisante pour interdire l’utilisation du gypse comme matériau de chaussée en zones climatiques subhumides et semi-arides.

Les encroûtements gypseux se dressent généralement en couches horizontales affleurantes à subaffleurantes. En Algérie, ils occupent la grande surface au Sud et Sud-ouest de Biskra jusqu’en Tunisie.

1.1.3 Les encroûtements mixtes

Les encroûtements mixtes sont des formations de tufs calcaires gypsifiés à prédominance carbonatée ou de tufs gypseux calcifiés à prédominance sulfatée (De Os Horta, 1980).

Au-delà d’une certaine aridité, le développement des encroûtements calcaires est arrêté à la source, à cause de l’insuffisance des précipitations pour dissoudre et drainer le calcaire vers les nappes phréatiques; et inversement, lorsqu’on passe du climat désertique au climat semi-aride, le gypse devient instable dans les sols à cause de sa solubilité notable, les encroûtements gypseux sont relayés alors par les encroûtements calcaires.

Guettouche, explique la présence des formations calcaires au Nord Sahara, gypseuses plus au sud, dans les régions hyperarides et les gypso-calcaires dans les zones intermédiaires par la suite évaporitique caractérisant résultant de l’évaporation d’une eau, chargée en différents minéraux : le carbonate de calcium précipite en premier sous forme d’aragonite (CaCO3), puis de gypse (CaSO4, 2H2O), puis la halite (NaCl), et finalement les sels de potassium et de magnésium (Guettouche et al, 2006).

Les tufs gypso-calcaires et calcairo-gypseux qui en résultent sont déconseillés en zones subhumides et semi-arides à cause de la solubilisation du gypse ; par contre ils sont utilisés dans les régions arides (Améraoui, 2002).

1.2 Formation et distribution des encroûtements calcaires

1.2.1 Répartition des encroûtements calcaires dans le monde

Les encroûtements calcaires sont reparties partout dans le monde (figure I.1), on trouve ces formations dans les régions plates à climat aride à semi-aride, favorables à leur formation. On les recense notamment :

En Europe : les encroûtements calcaires sont peu abondants sauf dans certaines régions méditerranéennes et notamment en Espagne.

En Amérique : ce sont les hautes plaines des Etas-Unies allant du Texas à la Californie, celle du Mexique et celles de l’Argentine centrale.

Au Moyen-Orient : on rencontre les encroûtements calcaires au Liban, en Syrie, en Jordanie dans les pays du Golfe Persique et en Inde dans les régions de Delhi et de New Delhi

En Australie : on trouve les encroûtements calcaires dans les plaines littorales. En Afrique : ce sont les «Hamada», haut plateaux de l’Algérie, la plaine de Djefara et le bassin de Ben Gazi en Libye, les dépressions du Nord du Kenya, les steppes de la Tanzanie, les plateaux de la somalie, les vallées de Botswana et d’Afrique du Sud, les zones sèches de Madagascar et du Mozambique, la Namibie et l’Angola.

En Algérie, d’après Durand, ils couvrent approximativement une superficie de 300.000 km2 (Durand ,1959).

Figure I.1 – Répartition des encroûtements calcaires dans le monde (Colombier, 1988).

1.2.2 Formation des encroûtements calcaires

La formation des encroûtements calcaires correspond à certaines conditions climatiques critiques. Pour que les sols s’encroûtent de manière appréciable, les précipitations doivent être capables de solubiliser des quantités importantes de carbonates, sans toutefois excéder un certain seuil au-delà duquel elles pourraient emporter la totalité ou la majeure partie de ces carbonates vers les bassins marins ou lacustres. Ces conditions climatiques peuvent être illustrées par le climat qui règne dans les zones méditerranéennes subhumides et semi-arides (De Os Horta , 1979).

Depuis près d’un siècle, la question de l’origine de ses formations ne cesse d’alimenter les controverses ; de nombreux auteurs se sont intéressés aux processus de formation de ces accumulations dans le sol (Boulaine, 1961 ; Durand, 1963 ; Briot, 1976 ; Millot et al., 1977 ; Ruellan, 1980 ; Pouget, 1980a ; Vogt, 1984 ; Halitim, 1988 ; Benmati, 1993). Différentes hypothèses génétiques sont avancées pour expliquer les accumulations calcaires dans les sols : les genèses pédologiques (Boulaine, 1961 ; Ruellan, 1976 ; Pouget ; 1980b ; Halitim, 1988), ou la genèse sédimentaire (Gaucher, 1948 ; Vogt, 1984). Ainsi, trois hypothèses sont avancées pour expliquer les accumulations calcaires dans le sol : • L'hypothèse par ascensum qui fait appel aux processus liés à l'évaporation : remontée de solution par capillaires du sol et précipitation en surface des matières dissoutes.

• L'hypothèse par descensum : Sous climat aride ou semi-aride, la croûte se forme par lessivage de la partie supérieure du sol et l'accumulation carbonatée s'opère à la base de la zone lessivée. Au carbonate provenant du lessivage peuvent s'ajouter des apports latéraux en solution.

• L'hypothèse de sédimentation : Les croûtes seraient des constructions sédimentaires, dues aux eaux de ruissellement laminaire.

C'est l'hypothèse de la sédimentation qui recueille actuellement l'assentiment de la plus part des spécialistes et qui répond à trois questions (Mathieu et al., 1976 ; Alloul, 1981 ; Djili, 1999 ; Gettouche 2006)].

 D’où vient le calcaire ?

 Comment a-t-il été transporté ?

 Comment s’est-il redéposé et mis en place ? a) Provenance et transport du calcaire

Le carbonate de calcium, cristallisé se forme de calcite à symétrie rhomboédrique, est le constituant essentiel des calcaires (De Os Horta, 1979), qui contribuent à la formation des encroûtements calcaires.

Dans le sol, il peut provenir de l’altération de la roche mère (Ruellan, 1976) ou de la précipitation de carbonate de calcium secondaire (Ruellan, 1971 ; Duchaufour et Souchier, 1977). Sa solubilité dans l’eau n’est généralement pas très élevée et dépend de plusieurs facteurs.

Ce calcaire provient de la solubilisation des massifs calcaires proches en hivers. Le transport se fait, soit sous forme de particules solides entraînées lors des précipitations, soit par solubilisation du carbonate de calcium dans l’eau chargée en dioxyde de carbone CO2. Cette eau produit un acide carbonique selon la relation chimique suivante (Ben-Dhia, 1983):

H

O + CO2 → H

CO

Acide carbonique (1)

L’acide carbonique ainsi formé donne lieu à la dissolution du calcaire:

CaCO

+ H

CO

→ Ca(HCO

)

+ H

O + CO

Au total, on a l’équilibre chimique suivant :

CaCO

+ H

O + CO

→ Ca(HCO

)

Insoluble soluble (3)

La solubilité du carbonate de calcium CaCO3 dans l’eau est d’autant plus forte que la teneur en dioxyde de carbone CO2 est élevée et que la température est basse.

Il faut noter comme l’indique NETTERBERG (1969) (Améraoui, 2002), que la teneur en dioxyde de carbonate CO2 de l’eau du sol peut atteindre 1% et que le phénomène peut être accentué par la présence de micro-organismes ou de matières organiques.

a) Dépôt du calcaire

Les particules solides déposent par décantation ou évaporation. L’eau est d’autant plus chargée que la température est plus faible et que son mouvement est plus lent. Une fois arrivée dans une plaine ou un plateau, l’eau s’infiltre dans le sol (figure I.2).

Le phénomène est accentué par la succion capillaire liée à l’évaporation et l’évapotranspiration due à la végétation (Netterberg, 1978). Les phénomènes de

dégagement de CO2 dissout et une précipitation de carbonate. D’après Netterberg (Netterberg, 1978), quand le potentiel capillaire est entre 2 et 3 on a précipitation du calcaire selon la réaction suivante :

Ca(HCO

)

→ CaCO

+ H

O + CO

Précipité (4)

L’élévation de la température accélère la réaction sans lui être nécessaire, mais la dépression joue un rôle fondamental. Le processus de précipitation de la calcite est plus complexe que la simple évaporation du solvant; le liant calcaire prend beaucoup de temps pour durcir et c’est pourquoi les encroûtements calcaires ne peuvent se trouver dans les endroits soumis à un lessivage fréquent et dans les terrains dont les pentes sont importantes.

Figure I.2 – Schéma de circuit de la formation des tufs calcaires. b) Evolution et âge des encroûtements calcaires

Le calcaire se concentre dans un premier temps de manière discontinue sous forme d’amas friables et de nodules durs. Au fur et à mesure du dépôt, la teneur en carbonates du sol s’élève et la concentration devient continue et masque la couleur primitive du sol, à partir de ce stade se produisent ce que Ruellan appelle les phénomènes pédoliques qui progressivement transforment les différents horizons des sols (Améraoui, 2002). L’évolution finale est l’encroûtement mûr (Figure I.3).

Un sol sera passé par tous ces stades présentera un profil très différencié. On distinguera, du haut vers le bas, les horizons suivants :

Horizon A : C’est la couche de terre végétale dont l’épaisseur peut atteindre quelques décimètres voire être inexistante en cas d’érosion, de couleur sombre Horizon B : (ou horizon d’accumulation) C’est l’horizon de l’encroûtement proprement dit; son épaisseur peut varier de quelques décimètres à plusieurs mètres, le calcaire y est abondant (40 à 90%), la couleur est blanchâtre. Il comprend le plus souvent :

• Une dalle compacte, dure à forte teneur en carbonates et dont l’épaisseur peut atteindre une vingtaine de centimètres ;

• La croûte constituée par une superposition de feuillets, de dureté plus faible que celle de la dalle, son épaisseur variable peut atteindre deux mètres. La différenciation entre croûte et dalle n’est pas toujours évidente ; • Une zone nodulaire ; il s’agit de nodules calcaires durs pris dans une

gangue calcaire plus ou moins pulvérulente.

C’est l’horizon B qui nous intéresse comme matériau routier, après décapage de la terre végétale et le ripage de la carapace (dalle ou/et croûte).

Horizon C : C’est le matériau d’origine dans lequel on rencontre cependant, quelques nodules. L’enrichissement en calcaire est faible, de couleur blanchâtre.

Figure I.3 – Encroûtement mûr (Colombier, 1988).

D’après Ruellan (cité par Alloul, 1981) les croûtes les plus jeunes sont de 15 à 20.000 ans d’âge, alors que l’encroûtement mûr où la dalle compacte est présente, plusieurs centaines de milliers d’années.

Ce sont donc des formations Quaternaires plus précisément d’âge Villafranchien à l’actuel.

En Algérie, les encroûtements des zones à climat semi-aride sont puissants et comportent des croûtes plus ou moins feuilletées et des dalles compactes très épaisses. Les encroûtements Salétiens ont très souvent développés (De Os Horta, 1979).

Le tableau I.1 résume les différentes formations et leurs âges respectifs. Les encroûtements massifs sont d’âge Moulouyen à Salétien. Cette période étant caractérisée par des successions de périodes pluviales et périodes sèches.

Tableau I.1 – Chronologie des différentes formations en Maghreb (Alloul, 1981). Niveaux eustatiques Etages continentaux (pluviaux) ^{Encroûtements} 0.00 20.0000 100.000 2.000.000 3.000.000

Holocène _Récent ^Actuel

Mellahien

supérieur ^{Gharbien Accumulations} diffusées

Mellahien

inférieur ^{Soltanien Accumulations} discontinues

Pléistocène

Supérieur Monastirien ^{Ouljien Tensifien Carapaces fréquentes}

Anflatien Amirien Carapaces rares

Moyen Maarifien Salétien ^{Carapaces assez} _{développées}

Ancien _{Villafranchien} ^{Moulouyen Carapaces puissantes} _{avec dalle}

1.3 Classification et typologie des formes d’accumulation

Les formes d’accumulations calcaires dans les sols ont fait l’objet de nombreux travaux (Durand, 1959 ; Belouam, 1976 ; Vogt, 1984 ; Mathieu et al., 1976). Ainsi, le calcaire dans le sol peut se trouver sous trois formes principales : diffuses, en concentration discontinues (pseudomycélium, amas friables, nodules) ou en concentrations continues (croûtes, dalles, pellicules rubanées) en fonction des facteurs du milieu. D’après Ruellan (1971, 1976) et De Os Horta (1979), les formes d’accumulations calcaires dans le sol se distribuent similairement du bas vers le haut du profil. Le passage progressif s’opère des distributions diffuses vers les distributions discontinues et ensuite aux distributions continue ; le même phénomène s’observe également de la surface sur laquelle le sol se développe.

a) Distributions diffuses : La teneur en calcite est très faible. Le calcaire n’est pratiquement pas visible à l’œil nu.

b) Concentrations discontinues : La teneur en calcaire devient plus élevée (40 à 60%). Les concentrations de calcaire se présentent sous la forme de nodules durs de 1 à quelques cm3 ou sous forme d’amas friables qui s’écrasent facilement.

c) Concentrations continues : Lorsque la concentration en calcaire se poursuit (teneur en carbonate de calcium CaCO3 supérieure à 60%) elle devient continue, on a alors affaire aux encroûtements calcaires proprement dit. C’est de ces formations que seront extraits les granulats routiers. Pour ces formations on distingue deux types d’encroûtements : Les encroûtements non feuilletés et les encroûtements feuilletés.

En ce qui concerne les sols calcaires en Algérie, bien que de nombreuses études aient été réalisées (Aubert, 1974 ; Gaucher, 1948 ; Durand, 1953, 1956 ; Boulaine, 1957, 1961 ; Thibout, 1974 ; Charles, 1976 ; Ballais et Vogt, 1979 ; Tihay et Vogt,

1979 ; Vogt, 1979 ; Pouget, 1980a ; Djili, 1983 ; Bock, 1984 ; Halitim, 1988 ; Ayache, 1996), leur distribution et la répartition du calcaire dans le profil sont encore peu connues.

Au fur et à mesure que l’encroûtement se forme, sa perméabilité diminue, la cristallisation se fait dans la partie supérieure de l’encroûtement. Les cycles d’assèchement et d’humidification de la partie supérieure de l’encroûtement provoquent un feuillage de la croûte et le durcissement de la dalle compacte.

Ruellan (Ruellan, 1970) a établi une classification (tableau I.2) pour cette distribution qui semble avoir un caractère relativement universel, puisqu’elle est très voisine de celle de Netterbeg établie à partir des études faites en Afrique du Sud, en Australie et en Amérique du Nord.

Tableau I.2 – Classification des encroûtements calcaires en fonction de la teneur en CaCO3 (Ruellan, 1970).

Dénomination Description _{en CaCO}^Teneur ₃ ^{Epaisseur Rapports mutuels}

E ncroû te men ts non feu illet és Encroûtemen_ts massifs Structure massives ou Polyédrique > 60% ^{0.3 à 2.0 m} (le plus souvent) Sous les encroûtements non feuilletés, il y a toujours des amas friables avec ou sans nodules Encroûtemen ts nodulaires Structure nodulaire et polyédrique E ncroû te men ts feu ille tés Croûtes Feuillets superposés et discontinus d’encroûtement massif ou nodulaire d’épaisseur millimétrique à centimétrique croisant du bas en haut > 70% Quelques Centimètr es à > 1 m

Sous les croûtes, il y a presque toujours des encroûtements non feuilletés. Les dalles compactes n’existent

qu’au sommet des croûtes et peuvent remplacer

entièrement celles-ci. Des pellicules rubanées sont presque toujours associées à la dalle compacte dont elles tapissent la surface supérieure et les fissures. Dalles compactes Feuillets de croûte pétrifiés, épaisseur de Quelques centimètres à plusieurs décimètres