Faire parler les sols et sédiments tropicaux

Si tous les sols sont constitués de vides et d’agrégatsDes ensembles cohésifs imbriqués les uns dans les autres, dont la taille varie du décimètre, pour les mottes, au centimètre, au millimètre et jusqu’au micron pour les plus petits assemblages entre particules argileuses et matière organique.¹, ils n’ont en effet pas les mêmes caractéristiques physiques. Selon la taille des particules et des différents agrégats emboités les uns dans les autres et celle des vides qui les séparent, ils retiennent l’eau de façon plus ou moins énergique.

Pour déterminer la réserve utile en eau, l’échantillon est saturé en eau, afin de remplir tous les vides. Puis, l’eau est progressivement extraite par l’application de pressions correspondant à la gravité naturelle puis à la force de succion des racines. À chaque étape, l’échantillon est pesé pour déterminer la quantité d’eau perdue.

L’évolution du contenu en eau du sol au cours de sa dessiccation peut également être mesurée en continu. Les échantillons sont alors placés dans un rétractomètre, un automate inventé et breveté par des scientifiques de l’IRDErik Braudeau et Gérard Bélier¹ et maintenant commercialisé par une entreprise spécialisée dans le matériel de mesure des propriétés physiques du sol.

Constitué d’une étuve régulée, l’appareil provoque une dessiccation contrôlée des échantillons de sol, les pèse, détermine leur rétractation avec des capteurs laser et mesure l’énergie de liaison de l’eau avec le sol grâce à une bougie poreuse insérée dans chaque échantillon.

La spectrométrie de fluorescence des rayons X (dite XRF pour x-ray fluorescence) consiste à soumettre l’échantillon à un rayonnement X puis à analyser sa fluorescence, c’est-à-dire la réémission des rayons X par la matière. Le spectre de cette émission secondaire est caractéristique de la composition de l'échantillon, des éléments présents et de leur concentration.

L’analyse géochimique élémentaire sert à déterminer la teneur en carbone et en azote contenue dans un échantillon avec un analyseur élémentaire. À une échelle plus fine, en utilisant la spectrométrie de masse, elle permet également de déterminer la composition isotopiqueProportion des différentes formes d’un même élément, dont la masse varie en fonction du nombre de neutrons supplémentaires dans le noyau, comme le ¹³C (lire « carbone 13 »), plus lourds que le ¹²C qui est le plus courant.

Ces informations sont précieuses car elles témoignent de processus naturels, comme la variation climatique ou le passage du temps, et de leurs effets sur l’environnement.

La spectrométrie de masse à plasma à couplage inductif (dite ICP-MS pour Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry) permet de détecter la présence et la teneur d’éléments même à de très faibles concentrations. Il s’agit de tous les métaux et non-métaux du tableau périodiqueTableau qui représente tous les éléments chimiques existants classés par ordre croissant de poids atomique. hormis ceux des deux premières lignes.

Le microscope électronique à balayage est également équipé d’un spectromètre à dispersion d’énergie qui fournit des informations sur la composition chimique élémentaire des échantillons. « Au LOCEAN, nous utilisons notamment ce microscope pour l’observation des biocarbonates modernes et fossilesLa structure solide des coraux et des coquilles de mollusque, étudiés pour leur capacité à enregistrer les variations de certains paramètres environnementaux qui serviront ensuite aux reconstructions paléo-climatiques », explique Sandrine Caquineau, la responsable de cet équipement.

La détention de ces sols tropicaux est ainsi organisée dans une salle de confinement biologique, maintenue en dépression pour éviter la sortie inopinée de poussières et de microorganisme en suspension dans l’air. Son accès est contrôlé et soumis à des précautions sanitaires spécifiques. La quantité d’échantillon nécessaire aux analyses est prélevée dans le stock et préparée dans l’enceinte sécurisée avant d’être sortie. Elle est dûment consignée, au milligramme près, et les échantillons non détruits par les analyses sont rapportés pour être neutralisés en autoclave par chauffage à haute température et haute pression avant d’être évacués lorsqu’ils ne sont plus utiles pour les recherches menées. « Plusieurs centaines de kilogrammes de terre, provenant d’Asie, d’Afrique ou d’Amérique, sont stockés ici. Nous en connaissons la quantité au milligramme près », explique Hanane Aroui, responsable du laboratoire de physique du sol et référente de prévention pour les laboratoires de IEES-Paris à Bondy.

« Les lamines sédimentaires correspondent à des dépôts, explique Henri Robain. Ces dépôts sont généralement noirs en saison pluvieuse, et blancs en saison sèche. La matière sombre est riche en matière organique, ce qui correspond à une forte mortalité des organismes planctoniques dans la colonne d’eau, et quand ils sont bien vivants ne se déposent que des particules minérales qui sont claires. » Leur analyse, par spectrométrie XRF notamment, permet ainsi de recomposer l’histoire paléo-climatique.

« Les équipements, les instruments et les compétences pour les mettre en œuvre réunis sur la plateforme de Bondy ne sont pas seulement dédiés à la recherche courante des unités partenaires. Ils servent aussi à la formation des chercheurs de demain. Ainsi, de nombreux scientifiques, venant des pays du Sud ou traitant de thématiques tropicales, sont accueillis ici pour apprendre à utiliser les techniques les plus innovantes en analysant leurs propres échantillons », conclut Henri Robain.