Organisation of clay matrix in soils : impact of mineralogy and physicochemical conditions on the formation of soil crusts

L’une des problématiques environnementales majeure et actuelle conduisant à la dégradation des sols et à la perte des terres est l'érosion hydrique. Dans ce contexte, la formation de croûte de battance à la surface du sol jour un rôle clé dans le processus d’érosion hydrique car elle limite l'infiltration de l’eau et favorise le ruissellement en surface. Suite aux événements pluvieux, la formation de croute de battance résulte de la réorganisation en surface des particules du sol, notamment les particules les plus fines comme les minéraux argileux. Les différents stades de formation des croûtes de battance sont généralement observés par l’étude micromorphologique de leur structure interne. Si l’effet des conditions physico-chimiques des sols joue un rôle essentiel sur la structuration des croûtes de battance à travers leur impact sur les minéraux argileux, l’interprétation des mécanismes à l’œuvre reste limitée car l’identification des particules argileuses impliquées restent délicates. L’objectif de cette thèse est ainsi de caractériser la minéralogie et l'organisation des argiles pour améliorer notre compréhension sur les mécanismes de formation des croûtes de battance en fonction des conditions physico-chimiques du sol.Le panel d’échantillons de surface de sol étudié est issu du site expérimental longue durée des 42 parcelles de l’INRAE de Versailles. L’atout majeur de ce site est d’offrir la possibilité de comparer l’effet des conditions physico-chimiques grâce à l’apport de différents traitements chimiques appliqués depuis plus de 90 ans sur le même sol. Dans un premier temps, les échantillons de croûte de battance à structure conservée ont été analysés au microscope électronique à balayage à partir de mosaïque d’images en électrons rétrodiffusés à l’échelle centimétrique afin de proposer une description micromorphologique des différentes structures observées. Sur la base de ces observations, des zones d’intérêt représentatives ayant des surfaces pluri-millimétriques ont été sélectionnées pour être cartographiées en microdiffraction 2D de rayons X (µDRX 2D) au synchrotron SOLEIL sur la ligne CRISTAL. Les données spatialisées (résolution de 75 x 75 µm) de µDRX 2D ont ensuite étaient traitées pour cartographier la distribution spatiale des différents minéraux argileux (chlorite, illite, kaolinite) et leur organisation propre à travers le degré d’orientation préférentielle des particules.L’interprétation des données micromorphologiques et minéralogiques spatialisées a permis de mettre en évidence des différenciations faibles entre les zones d’érosion de départ des particules qui montrent au global des organisations isotropes appauvries en particules argileuses sans différenciation minéralogiques. En comparaison, les zones de dépôt montrent des signatures très contrastées entre les traitements physico-chimiques étudiés. Les anisotropies les plus marquées ont été observées sur des dépôts très fins (épaisseur <150 µm) pour le traitement au sodium (NaNO3) et pour le sol modérément acide sans traitement avec une différenciation minéralogique des argiles probablement liée à une ségrégation en taille des particules lors de leur sédimentation dans une micro-dépression. Les traitements basiques (CaCO3) et très acide ((NH4)2HPO4) présentent des séquences de dépôts quasi-isotropes à faiblement orientées sans variation minéralogiques notables, très probablement en lien avec le transport de micro-agrégats. Au final, les différentes signatures minéralogiques et organisationnelles des minéraux argileux au sein des différentes séquences de dépôt sont discutées afin d’améliorer notre compréhension des mécanismes conduisant à la formation des croutes de battance pour un contexte physico-chimique donné.One of the main environmental issues leading to soil degradation and land loss is water erosion. In this context, the formation of soil crust plays a key role in the process of water erosion because it reduces the water infiltration and increases the runoff. Following rainfall events, soil crust formation results from the inner reorganization of soil particles, especially the finest particles such as clay minerals. The different stages of soil crust formation are conventionally studied by the micromorphology. If physicochemical conditions of the soils play an essential role on soil crusting through their impact on the behavior of clay particles, the interpretation of the mechanisms involved is still delicate because of the identification of the clay minerals remains complex. The objective of this PhD thesis is thus to characterize the mineralogy and organization of clay minerals to improve our understanding on the mechanisms leading to soil crusting in relation with the physicochemical conditions.The panel of topsoil surface studied is from the long-term experimental site of the 42 plots from INRAE of Versailles. The main benefit of this site is to offer the opportunity to compare the effect of physicochemical conditions thanks to the contribution of different chemical treatments applied for more than 90 years on the same soil. Firstly, undisturbed soil crusts were analyzed with a scanning electron microscope using mosaics of backscattered electron images at the centimeter scale in order to propose a micromorphological description of the different structures observed. Based on these observations, multi-millimeter representative areas were selected and mapped by using synchrotron micro-X-ray diffraction using a flat bi-dimensional detector (2D µXRD, SOLEIL synchrotron, CRISTAL beamline). The spatialized data (75 x 75 µm resolution) of 2D µXRD were then processed to map the spatial distribution of the different clay minerals (chlorite, illite, kaolinite) and their own organization through the degree of preferential orientation of the particles.The interpretation of the micromorphological and mineralogical spatial data highlighted weak differences between the erosion zones, which show overall isotropic organizations impoverished in clay particles without significant mineralogical differentiation. In comparison, the depositional zones show very contrasting signatures between the physicochemical treatments studied. The most marked anisotropies were observed on very fine deposits (thickness