Le gel du sol et les milieux périglaciaires

Bibliographie complémentaire

Les régions froides connaissent à des degrés divers des étendues considérables de sol gelé, soit en permanence, soit saisonnièrement. Les conséquences de ce phénomène au demeurant rare à nos latitudes en plaine, sont considérables tant sur le développement de la vie animale et végétale que pour la mise en valeur de ces régions.
 

Importance et extension des sols gelés: le pergélisol.

On distingue:


Dans une contrée, le pergélisol peut recouvrir tout l'espace : il est dit continu ou n'affecter que certains secteurs en fonction des conditions locales d'exposition, de nature lithologique, de situation topographique etc… Le pergélisol est alors dit discontinu. Certains auteurs distinguent également un pergélisol sporadique lorsque des noyaux gelés existent dans une région où le sol n'est en général pas gelé de manière permanente. Bien évidemment, les conditions thermiques requises pour ces trois types sont de moins en moins rigoureuses. Contrairement à une idée souvent répandue, une température moyenne annuelle de 0°C est insuffisante pour provoquer l’apparition d’un pergélisol généralisé. Harris propose plutôt une valeur de l’ordre de –3 à –5°C pour la limite du pergélisol continu.

Lorsque le pergélisol est en équilibre avec les conditions thermiques actuelles, il est dit actuel. Dans le cas contraire, on parle de pergélisol fossile, correspondant à des conditions climatiques plus sévères; il se distingue du précédent par l'analyse du profil.

La connaissance du volume de sol gelé à la surface du globe est difficilement accessible, peu d'estimations sont fournies. Même les surfaces affectées sont mal connues dans certaines régions insuffisamment explorées et les cartes fournies varient sensiblement d’un auteur à l’autre.


L'épaisseur du pergélisol est très variable. Le plus souvent, quelques dizaines de mètres mais des valeurs très supérieures ont été mesurées en Sibérie centrale (600m). Du pergélisol sous-marin (offshore permafrost) a été détecté lors de forages pétroliers au large de l’Alaska dans la mer de Beau fort et de la Sibérie (mer de Kara). Le gel du sol et ses effets.
 

La glace dans le sol

Le comportement du sol lors du gel est largement fonction de sa teneur en eau. La congélation de l'eau provoque la cohésion du sol pouvant aller, si tous les pores sont remplis de glace, à la formation d'un véritable béton: le béton de glace ou ice concrete. Lorsque la teneur est faible, une certaine perméabilité peut subsister et, dans des matériaux fins, le sol devient pulvérulent, comme desséché, et offre ainsi une forte prise au vent et à l’érosion éolienne; ceci est fréquent dans les Grandes Plaines américaines lorsque le chinook d'hiver souffle violemment.

Lorsque la teneur en eau s’accroît, la glace peut se trouver concentrée en strates ou en lentilles plus ou moins continues selon un processus assez analogue à la formation des aiguilles de glaces en surface.
 

-Les processus de ségrégation de glace.

La congélation d'un sol conduit à l'apparition de nombreux phénomènes.

L'onde de gel, matérialisée par la position de l'isotherme 0°C, progresse de la surface en profondeur. Au début du gel, l'isotherme se trouve en surface puis, au fil des heures, il progresse en profondeur plus ou moins parallèlement à la surface. L'eau au-dessus de ce front se trouve sous forme de glace alors qu'elle reste liquide en dessous. La glace se forme en strates ou en lentilles à proximité du front de gel. La croissance des cristaux de glace se fait perpendiculairement au front de gel, verticalement, le plus souvent sous forme d'un faisceau d'aiguilles de glace parallèles.

-Le gonflement du sol.

Dispositif expérimental d’observation des effets du gel d’un sol.


L'accroissement de volume lié à la congélation provoque le gonflement du sol. L'expansion ne pouvant se faire que vers le haut (sauf cas particulier) le gonflement se manifeste par une élévation verticale de la surface pouvant aller jusqu'à plusieurs centimètres, dans le cas d'un sol riche en eau.

Ce mouvement est cumulatif: à mesure que l'onde de gel s'enfonce, l'ensemble du volume déjà gelé se trouve soulevé par la croissance des nouvelles lentilles qui se développent en profondeur.

-La cryoosmose

La congélation est assimilable à une dessiccation de la surface du sol exprimée par la valeur du potentiel hydrique pF. La valeur du pF, de 4.2 lors de la dessiccation est de 6.2 pour la glace: elle provoque le développement d'une ascension capillaire en direction du front de gel beaucoup plus vigoureuse qu'une simple dessiccation. Ce phénomène ramène vers la surface d'importants volumes d'eau qui se trouvent en profondeur et se congèlent lors du passage de l'isotherme 0°. Ce processus fonctionne d'autant mieux que:

1- il existe une source d'eau abondante en profondeur (couche imperméable, nappe etc…)
2- les pores du sol sont de petite taille, donc la taille des particules est réduite. ( En fait la taille optimale est celle des limons, car dans les argiles, une partie de l'eau entre les feuillets est liée par des phénomènes d'électricité statique et n'est pas mobilisable. )
L'expérience de Jurin montrant la relation entre le diamètre d'un capillaire et la montée de l'eau dans le tube est bien connue et s'applique dans ce cas, les pores étant considérés comme un réseau capillaire interconnecté.

Relations entre le diamètre et le niveau d'eau dans un tube capillaire
Croissance des lentilles de glace sur une arène au cours du gel nocturne.
L'extraction de calories est le troisième processus. La congélation de l'eau en glace est exothermique. La quantité d'eau présente dans le sol ralentit donc la pénétration de l'isotherme 0° puisque la congélation provoque un dégagement de chaleur. Ce phénomène est essentiel car il permet de comprendre qu'au bout d'un certain temps, la profondeur atteinte par l'onde de gel soit différente d'un point à un autre dans un même secteur. C'est la teneur en eau qui règle donc la vitesse de pénétration de l'onde de gel et non la température de l'air contrairement à une idée répandue.
-Le rôle de l'alimentation en eau.

Deux cas se distinguent:

  • Si l'alimentation en eau est constante, nappe phréatique ou écoulement hypodermique, les lentilles seront nombreuses et également réparties dans le profil.
  • Si l'alimentation latérale est faible, on observe une décroissance du nombre de lentilles avec la profondeur parce que l'eau aspirée vers le front de gel conduit à dessécher les horizons profonds. Au cours du gel, le gonflement sera de moins en moins important, et la descente du front de gel va en s’accélérant.
    • -Sols gélifs et non gélifs.

    De l'ensemble de ces observations résulte le concept de sol gélif. Un sol gélif est un sol qui contient beaucoup d'eau et où les pores sont fins. Sagranulométrie est donc fine. Il gèle lentement, mais gonfle beaucoup et forme de nombreuses lentilles de glace. Un sol non gélif ne développe pas de lentilles de glace, il gèle rapidement mais ne gonfle pas.

    Les états de l'eau dans le sol (d'après B. Van Vliet Lanoë, 1988).

    Il est à noter qu'un sol parfaitement sec se comporte comme un sol non gélif quelle que soit sa granulométrie puisqu'il ne peut s’y former de lentilles de glace.

    La gélivité d'un sol est donc sa capacité à développer des strates de glaces lors du gel et à gonfler. Elle est liée à sa granulométrie. Un sol est souvent considéré comme gélif dès que le pourcentage de limons dépasse 10 %.

    -Le dégel.

    Lors du dégel des phénomènes inverses se produisent. La fusion de la glace supposant un apport important de calories, plus le sol contient de glace, plus sa fusion est lente, ce qui explique que des secteurs riches en glace peuvent ne pas fondre totalement pendant l'été dans une région où, pourtant, le pergélisol n'est pas la règle. D'autre part, le dégel s'amorçant depuis la surface, la fusion de la glace concentrée en surface conduit à la saturation des horizons superficiels d'autant que les horizons profonds encore gelés sont imperméables et empêchent toute infiltration. La limite de liquidité des sols est vite atteinte et le sol boueux flue à la moindre sollicitation d'où le nom de mollisol donné à la couche active dégelée au printemps.

    Les processus dérivés du gel du sol.

    Ces caractères conduisent au développement de phénomènes particulièrement importants dans les régions soumises au gel saisonnier ou permanent.

    -Les pipkrakes ou aiguilles de glace.

    Les aiguilles de glace sont des colonnettes de glaces qui se forment en surface du sol sous les pierres ou les grains de sable. Elles croissent lors du gel en profitant de la conduction thermique de la pierre qui fait congeler l’eau sous cette dernière. Le soulèvement peut atteindre plusieurs centimètres. S’il existe une pente, le soulèvement se développe perpendiculairement à la surface du sol. Le caillou subit donc un déplacement latéral dans le sens de la pente. Ce processus est à la base de nombreux phénomènes dont le creep et les figurations géométriques de pierres.

    -Le tri des matériaux.

    Les alternances de gonflement au gel et de dégel conduisent à un brassage des particules du sol, la cryoturbation. La règle générale est que les gros éléments montent vers la surface et les fins descendent, ce qui conduit à l'apparition en surface de champs d'éléments grossiers fréquemment observés dans les hautes latitudes.

    Le processus est la cryoexpulsion (le bloc est poussé à sa base par la croissance de la lentille de glace) ou la cryoextraction (le bloc est soudé et soulevé par le gonflement du gel dans sa partie supérieure). L’importance respective des deux processus qui ne s'excluent pas reste discutée par les spécialistes.

    -Les figurations géométriques

    Ce terme général recouvre des réalités diverses conduisant à l'apparition de figures géométriques circulaires ou polygonales en surface. Deux processus y concourent:

  • La rétraction thermique liée gels forts conduit à la formation de réseaux de fissurations plus ou moins hexagonaux;
  • Le gonflement différentiel et les pipkrakes ou aiguilles de glace (needle ice) en surface provoquent des arrangements de pierres selon des formes géométriques.
    • -Le creep ou fauchage

    Il résulte de l'effet cumulé du gonflement lié à la croissance des lentilles de glaces sur une pente. Lors de la fusion le tassement se faisant verticalement, le déplacement vers l'aval est d'autant plus important que l'on approche de la surface. Il produit un étirement caractéristique vers l'aval des filons.

    -La gélifluxion.

    C'est un processus de solifluxion lié au dégel. Il affecte la tranche dégelée saturée et peut s'exercer sur des pentes faibles 2 à 3°. La vitesse de déplacement est de 3 à 15 cm / an et les particules sont animées d'un mouvement rotationnel les unes par rapport aux autres.

    Les formes périglaciaires.
    -Les réseaux de fente de gel.
    Les fentes de gel: on désigne sous ce nom des réseaux de polygones de taille variable mais souvent décimétriques à décamétriques de forme plus ou moins hexagonale. Les fissures ouvertes lors du gel se remplissent en été de glace lors de la fusion de la couche active. La fente de glace ainsi formée, (ice wedge) s'élargit annuellement. Lors de la fonte du pergélisol, la fente se remplit de sédiments divers: ceci permet d'identifier les traces du fonctionnement de ce processus notamment dans les régions ayant connu le pergélisol.

    Les polygones de toundra sont formés selon ce processus. En surface, la végétation (mousses et lichens) souligne l'hétérogénéité entre le coin de glace et le centre de la cellule.
    		Réseau de fentes de gel au Canada (Terre de Baffin).
    -Les sols polygonaux et les cercles de pierres.
    Ces formes existent à toutes tailles. Les formes simples (décimétriques) peuvent s'élaborer en quelques jours lors d'alternances de gel diurnes et sont banales en régions tempérées voire méditerranéennes.

    Les formes de grande taille supposent des conditions rigoureuses et évoluent selon des rythmes saisonniers. Les blocs concernés sont aussi de grande taille contrairement au cas précédent et entourent un ostiole boueux au centre de la cellule où s’accumule le matériel fin.

    Ce dispositif se développe par concentration des pierres en surface; les mécanismes en causes sont encore partiellement discutés, mais font appel au tri des matériaux qui remontent les pierres en surface et à l'effet des aiguilles de glaces qui les entraient sur le bord des cellules par gonflement différentiel.

    Lorsque la pente est sensible ces figures se déforment vers l'aval en s'étirant en losanges puis donnent naissances à de véritables bandes parallèles, les sols striés.

    -Les buttes cryogènes.

    Sous ce terme, on rassemble toutes les formes dont l'origine est voisine, la croissance par congélation d'une nappe d'eau stagnante ou non, d'énormes lentilles de glace. Toutes les buttes présentent donc sous une couche de sol minéral ou organique, tourbe, un cœur de glace plus ou moins pur.

    La croissance se produit lors du gel. Il existe des buttes cryogènes annuelles, qui se forment au cours d'un hiver, mais les formes majeures résultent d'un refroidissement de plus grande ampleur par accrétion du pergélisol.

    Les pingos décrits en Arctique peuvent atteindre une centaine de mètres de haut. La glace se forme par injection d'une nappe mise sous pression entre le toit du pergélisol et l'onde de gel depuis la surface. Les palses sont seulement dues au phénomène de ségrégation de glace, particulièrement actif à cause des conditions topographiques (proximité d'une nappe fluviatile, tourbière etc… )

    Lors de la fonte de la lentille, des effondrements se manifestent avec parfois un cratère; ces phénomènes sont connus sous le nom de thermokarst.

    Ils peuvent être annuels mais sont le plus souvent des réponses à des déséquilibres thermiques de plus longue période.
     
    Pingo (territoires du Nord-Ouest) , Canada.

    -Les formes de gélivation.


     

    Présentation powwerpoint sur le périglaciaire