Structure

La structure correspond à l'arrangement de ces particules solides et des vides dans l’espace. Elle prend en compte à la fois la porosité et la connectivité entre les pores (Miyazaki et al., 1993; Hillel, 1998). Contrairement à la texture, c’est un critère dynamique qui décrit plusieurs propriétés physiques du milieu poreux, telles que l’aération, ou les capacités conductrices (Kay et Angers, 2000).

Le mode d'organisation des particules découle en large partie de la distribution granulométrique du milieu puisque le remplissage de l'espace et la proportion de vides varient selon la proportion de particules fines par rapport aux particules grossières. Il dépend aussi de la nature des constituants, notamment leur composition minéralogique car la structuration résulte de différents processus (physico-chimiques, biologiques, mécaniques, etc.) faisant intervenir par exemple les propriétés des argiles. Texture et nature des constituants vont donc conditionner la porosité et la stabilité du milieu (Kay et Angers, 2000).

Toutefois, indépendamment de ces deux paramètres, la structure d’un milieu poreux répond également à des variations naturelles de température, d'apports en eau, de matière organique ou de croissance végétale, et à des variations artificielles comme la compaction mécanique, ou encore les conditions hydriques. Tous ces paramètres agissent notamment sur l’agrégation.

I.3.2.1 Porosité

Les pores correspondent aux vides au sein du milieu poreux, c’est-à-dire aux espaces entre les particules pouvant être remplis par de l’air et/ou de l’eau (Baver, 1963) C’est la granulométrie et l’agencement des particules qui vont déterminer la forme et la continuité du réseau poral, autrement dit la taille des pores et la connectivité entre les pores (Kay et Angers, 2000). Les processus d'écoulement s’opèrent à travers les porosités du milieu et dépendent donc de ces deux paramètres :

(i) La taille des pores : Selon leur taille, les pores ont différentes propriétés concernant les transferts/rétentions d’eau (Kay et Angers, 2000). Dans la littérature (Thomasson, 1978; Kay et Angers, 2000), ces tailles sont généralement regroupées par classe [Tableau 2, ci-après].

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Classe diamètres équivalents des particules

Macropores > 75 µm

Mesopores 30 - 75 µm

Micropores 5 - 30 µm

Ultramicropores 0,1 - 5 µm

Cryptopores < 0,1 µm

Tableau 2: Classification des tailles de pores (Soil Society of America, 1997) En pratique, on distingue plutôt 3 classes selon leur comportement hydraulique :

- Les pores > 30 µm. Ils ont une influence majeure sur les propriétés conductrices du milieu (White, 1985), et sur son aération (Thomasson, 1978). En effet, ils correspondent à une « porosité de drainage » où les écoulements ont lieu rapidement. Ils se forment de différentes manières : lors du retrait de l’eau dans le milieu (dessiccation), par l’apparition de fissures, par la formation d’agrégats ou encore par l’activité biologique, notamment la bioturbation ou le développement des réseaux racinaires des plantes (White, 1985).

- Les pores < 30 µm. Ils sont décrits comme pores de « stockage », dans lesquels l’eau est retenue par capillarité. On parle de «porosité capillaire». Les écoulements y sont très lents, et sont peu influencés par la teneur en eau du milieu. En revanche, ils sont fortement influencés par la teneur en matière organique, qui est en règle général corrélée positivement avec la porosité (White, 1985; Nemes et al., 2005).

Remarque : ces pores servent d’habitats à de nombreux micro-organismes et à la meiofaune, et représentent également les stocks d’eau préférentiellement utilisés par les plantes (da Silva et Kay, 1997).

- Enfin, les pores < 0.1 µm. Ils restent le plus souvent remplis, et sont peu influencés par les variations de teneurs en eau ou en matière organique.

(ii) La connectivité entre les pores. Elle correspond à la continuité du réseau poral, autrement dit au nombre de connexion entre les pores. Cette continuité dépend du degré d’ouverture des pores (de Marsily, 1986) : on distingue les pores fermés, les pores ouverts en cul de sac, c'est-à-dire non communiquant à une extrémité, et les pores complètement communicants [Figure 6].

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Figure 6 : Différents types de pores, d’après de Marsily (1986)

Selon la répartition de ces différents types de pores, le réseau est plus ou moins bien connecté [Figure 7]. Les processus d’écoulement dépendent également de la tortuosité du réseau poral, sa propriété à posséder de nombreuses courbes, à être « tordus ». Autrement dit, si on considère un fluide s’écoulant au sein d’un milieu poreux, la tortuosité du milieu est le caractère non rectiligne de la trajectoire qu’il a à parcourir.

Figure 7 : Connexions entre pores dans un milieu poreux, les particules sont ici assimilées à des sphères (Lominé, 2007)

I.3.2.2 Agrégation

Un agrégat peut être défini comme un groupe de particules se formant naturellement, dans lequel les forces de maintien des particules entre elles sont beaucoup plus fortes que les forces entre les agrégats adjacents (Martin et al., 1955). Autrement dit, c’est un

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ensemble de particules qui forme une unité structurelle stable (Kay et Angers, 2000), que l’on peut considérer comme une « particule plus grossière » [voir Figure 8].

Plusieurs facteurs agissent sur l’agrégation, tels que l’action de la faune ou des micro-organismes, le réseau racinaire des plantes, ainsi que certaines variables environnementales comme les conditions hydriques (Six et al., 2004). Martin et al. (1955) ont proposé plusieurs mécanismes qualitatifs pouvant se combiner et agir sur l’agrégation :

- les organismes créant des liaisons entre les particules du milieu ;

- le matériel organique gélatineux encapsulant les particules et pouvant les maintenir ensemble via une action de cimentation ;

- les particules d'argile elles-mêmes qui se collent entre elles et peuvent également piéger d’autres particules telles que les grains de sable.

Tisdall et Oades (1982) ont complété ces premiers concepts en proposant une hiérarchisation qualitative de l’agrégation constituant la théorie actuelle, complétée par Six et al. (2004). Pour résumer, cette théorie explique les interactions entre la matière organique du sol et la formation d’agrégat par l’action de différents types « d’agents collants » (correspondant au matériel organique gélatineux de Martin et al. (1955)) qui agissent à différents niveaux hiérarchiques de l’agrégation. Aussi, deux types d’agrégats sont obtenus selon leur manière de se former : (i) les particules libres et les agrégats de taille < 20 μ_{m s’assemblent pour former des micro-agrégats (20 - 250} μ_{m) ; (ii) ces} derniers s’assemblent à leur tour pour former des macro-agrégats (> 250 μ_{m). La taille et} la forme des agrégats ont une grande influence sur la porosité (Martin et al., 1955), donc sur les propriétés conductrices. Un milieu caractérisé par de nombreux macro-agrégats présentera par exemple une forte proportion de macropores (Dexter et al., 1982).

La Figure 8 ci-après est un exemple de milieu poreux et d’arrangement complexe des différentes particules. Elle illustre l’ensemble des éléments structurels décrits dans cette partie : différentes classes de particules (argiles, limons, sable), macro et microporosités et agrégats.

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Figure 8 : Exemple d’arrangement de particules (d'après le ©Jardin botanique de Montreal (2014)) Le compartiment biologique joue un rôle important sur la structure, puisqu’il contribue d’une part à la formation d'agrégats organo-minéraux grâce aux mucilages qui servent d’agents stabilisant ; et d’autre part à des modifications structurelles sous l’effet des macro-organismes qui créent des pores reconnaissables par des formes cylindriques et des surfaces courbes lisses. (racines, bioturbation) (Oades, 1993). Ces mécanismes seront développés dans les deuxième et troisième parties de ce chapitre.