Granulométrie et diagrammes de texture
Auteur : Denis Baize
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Article accepté le 1er octobre 2018
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| Article mis en ligne le 1er octobre 2018 |
Dans le langage courant, le terme granulométrie recouvre à la fois une technique (l’analyse granulométrique) et son résultat (la composition granulométrique).
Depuis les auteurs romains jusqu’à la fin du XVIIIe siècle, en passant par Olivier de Serres, les notions de terres « grasses, fortes, lourdes, argileuses », ou, au contraire « légères, sablonneuses, caillouteuses, pierreuses » sont courantes. Vers 1772, un certain Johannes Baptiste de Beunie « pratiquait le lavage des terres en faisant une mise en suspension des « fines ». Ce lavage lui permettait de séparer « le sable de l’argile ». Il rapportait la fertilité des terres à la fraction argile » (Boulaine, 1989). Mais l’idée de quantifier précisément les proportions de diverses catégories de particules selon leur grosseur date du XIXe siècle, parallèlement au développement des sciences physiques et chimiques.
L’analyse granulométrique
Définitions - Principe
L’analyse granulométrique, autrefois nommée « analyse mécanique », permet de quantifier (sous une forme pondérale) la répartition des particules minérales selon des classes de grosseur. Une fois admises les limites des différentes classes de dimensions de particules, il s'agit de déterminer la répartition statistique des particules d'un échantillon de terre ou de sol dans ces différentes classes granulométriques.
C’est une opération de laboratoire qui implique la dissociation complète d’un matériau terreux jusqu'à ce que toutes les particules élémentaires soient individualisées, et suppose donc la destruction totale des agrégats et fragments d'agrégats. Elle exige ainsi de supprimer l'action des ciments qui en assuraient la cohésion.
Elle est fondée sur deux concepts de base : celui de particules bien individualisées (annexe 1) et celui d'une dispersion convenable (annexe 2). En outre, on est confronté à deux autres difficultés : la forme des particules et leur éventuelle solubilité (annexe 3).
Certains travaux cherchent à quantifier la distribution d’agrégats de sols selon leurs dimensions, sans les désagréger. L’objectif est d’étudier la stabilité structurale de l’échantillon. On procède alors par tamisages, soit totalement à sec, soit en milieu aqueux ou dans l’éthanol. Il ne s’agit pas vraiment d’une « granulométrie » mais de ce que l’on appelle une « analyse d’agrégats » (Le Bissonnais & Le Souder, 1995).
Détermination
La séparation à 2 mm
Conventionnellement, l’analyse granulométrique est réalisée sur la fraction inférieure à 2 mm, ce qui implique une séparation préalable d’avec des particules plus grosses dites « éléments grossiers » (annexe 4).
L'objectif est d'émietter considérablement les agrégats (s'ils existent) et d'obtenir ainsi une poudre homogène, correspondant à une sorte d'état standard, et sur laquelle seront réalisées les différentes déterminations analytiques. La « terre fine » ainsi obtenue est un mélange de petits fragments d’agrégats et parfois de particules isolées (sables) qui gomme les hétérogénéités internes à l'horizon considéré. C'est pourquoi la couleur de la « terre fine » peut être très différente de celle des faces des agrégats.
Attention de ne pas casser involontairement les éléments grossiers fragiles : craie, schiste, marne, calcaire tendre, granite ou galets altérés, gravillons de feldspaths, etc., ni les nodules pédologiques. Trop souvent il est question de « broyage » des terres. Ce terme (et tout ce qu'il recouvre) est tout-à-fait incorrect. Il ne s'agit pas de broyer l'échantillon (comme ce sera nécessaire au laboratoire avant de réaliser certaines analyses chimiques), mais de réduire les agrégats préexistants en fragments de moins de 2 mm tout en séparant les éléments grossiers. La préparation ne doit pas modifier la granulométrie de l'échantillon. Cette opération est parfois nommée « émottage » ou « réduction » ou « désagrégation » ou « concassage ».
Les fractions granulométriques
Selon leurs besoins, les pédologues et agronomes subdivisent la terre fine (particules < 2 mm) en 3, 5, ou 8 fractions (fig. 1 et annexe 5).
Les deux principaux seuils de dimensions des particules n’ont pas été choisis au hasard. En effet, selon Pédro (2018), « Les deux dimensions les plus significatives sont : 2 mm, taille en dessous de laquelle tout système meuble devient cohérent au contact de l’eau et 2 µm, limite en dessous de laquelle les particules sont susceptibles de prendre un état dispersé ». En outre, en dessous de 2 µm, se concentrent particulièrement les minéraux argileux et les oxyhydroxydes de fer, minéraux de néoformation résultant de l’altération des « minéraux primaires » (biotites, feldspaths, ferromagnésiens).
Naturellement, il est tout à fait possible de subdiviser le continuum granulométrique d'une autre façon ou d'une manière encore plus détaillée. Par exemple : considérer 3 sous-fractions dans les limons fins (2-5, 5-10 et 10-20 µm) ou bien subdiviser la fraction argile en argiles très fines (< 0,2 µm) et argiles grossières (0,2-2 µm).
Si l’échantillon contient du calcaire, on a le choix entre deux analyses : avec ou sans attaque préalable par l’acide chlorhydrique dilué. On rencontre parfois dans les menus des laboratoires les termes, incorrects, de « après » ou « sans décalcification ». En fait, il s'agit d'une décarbonatation artificielle in vitro qui est censée simuler une décarbonatation naturelle telle qu'elle pourrait intervenir au cours de la pédogenèse. Dans tous les cas, il paraît indispensable de demander la granulométrie « sans décarbonatation ». En effet, seule la composition granulométrique incluant les particules calcaires a un sens agronomique, surtout si l'horizon est très calcaire. Une granulométrie « après décarbonatation » pourra être demandée, en outre, si cela paraît utile. Elle présente un intérêt dans deux cas particuliers précis : pour résoudre certains problèmes de filiation pédogénétique entre horizons ; pour connaître la répartition granulométrique des carbonates dans un horizon calcaire.
La méthode « à la pipette »
Les méthodes les plus employées (car les plus simples et les plus fiables) sont basées sur la loi de Stokes (tableau 1). Différents traitements préalables (chimiques et/ou aux ultrasons) servent à obtenir une bonne dispersion des particules qui préexistent dans l'échantillon étudié. Ils servent donc à désagréger complètement les agrégats, ce qui implique de détruire les « ponts » constitués par le complexe argilo-humique. Un premier traitement assure la destruction de la matière organique par l'eau oxygénée. Ensuite, en l'absence de ciments particuliers, une longue agitation dans l'eau suffit, en présence d'un seul dispersant, le plus souvent l'hexamétaphosphate de sodium.
La méthode « à la pipette » est associée en France au nom du britannique Robinson (1922). Des dispositifs similaires auraient été également proposés par Jennings et al. (1922), Krauss (1923), Andreasen et al. (1929) et Köhn (1928).
Selon la loi de Stokes, plus une particule est grosse et plus elle tombe vite dans l'eau, sachant que la température de l'eau influe sur cette vitesse. Après une dernière agitation homogénéisante d'un échantillon de poids connu (10 g) dans une allonge pleine d'eau, la sédimentation peut se donner libre cours sous la seule action de la gravité. Au bout d'un temps t, à une profondeur p, les particules de grosseur x sont toutes passées au cours de leur chute, y compris celles parties du point le plus haut de la suspension. On prélève une aliquote de la suspension à ce moment et à cette profondeur, grâce à une pipette. Après évaporation de l'eau de cette aliquote, on détermine aisément le poids de particules inférieures au seuil de grosseur x. La détermination des particules inférieures à 20 µm se fait d'abord ainsi (environ 4 minutes et 45 secondes à 10 cm), puis celle de la fraction argile (8 heures à 10 cm à 20 °C).
Pour connaître les proportions pondérales des autres fractions, on opère par tamisages (SF et SG).
| Type de méthode | Principe | Appareil utilisé | Gamme de mesure (mm) |
|---|---|---|---|
| Tamisage | Passage au travers des mailles d'une toile métallique par agitation mécanique. | Tamis | > 0,050 |
| Sédimentométrie (loi de Stokes) | Prélèvement d'une aliquote. | Pipette | 0,002 – 0,02 |
| Mesure de la densité de la suspension. Absence de prélèvement. | Densimètre | 0,002 – 0,05 | |
| Vitesse de chute accrue en augmentant le champ de gravité. Sédimentométrie par rayons X ou photodensimétrie | Centrifugeuse à disque ou en continu | 0,0002 – 0,002 | |
| Temps de mesure réduit par déplacement de la cellule. Sédimentométrie par rayons X | Sedigraph | 0,0001 – 0,1 | |
| Conductimétrie | Les particules en suspension dans un liquide conducteur passent par un orifice. L'impédance électrique mesurée dans ce dernier est corrélée au volume des particules. | Compteur de particules de type Coulter | 0,0004 – 0,8 |
| Diffractométrie | Analyse des figures de diffraction d'un faisceau laser | Granulomètre laser | 0,0001 – 0,6 |
Pour le laboratoire, la méthode pipette est contraignante : elle exige de nombreuses manipulations (pesées, pipetages à des moments et à des profondeurs bien précis, séchages) et est difficilement automatisable. On a donc depuis très longtemps cherché d'autres méthodes moins astreignantes et plus « modernes » ; et pourtant elle est toujours employée dans la plupart des laboratoires français. Dans la pratique quotidienne, les résultats obtenus par la méthode pipette donnent des résultats satisfaisants et de précision bien suffisante.
Autres méthodes (tableau 1)
Nous dirons peu de choses des méthodes employant un densimètre basées sur les variations d'une suspension en cours de sédimentation. Pour son application à des échantillons de sols, la méthode de densimétrie à profondeur variable (à l'ide d'un hydromètre ou d'un aréomètre) a été initiée par Bouyoucos (1927 et 1962) puis perfectionnée par Casagrande (1934) et par Mériaux (1954). Ces méthodes ont l'avantage de ne pas nécessiter de prélèvements et de fournir une courbe granulométrique continue (courbe cumulée) des particules inférieures à 50 µm. Mais elles ne seraient pas assez fiables et reproductibles et ne sont plus utilisées dans les laboratoires français (Mathieu & Pieltain, 1998).
La quantité de particules solides à une profondeur donnée dans la suspension peut aussi être déterminée en mesurant sa densité par des rayons X de faibles énergies. La quantité d'énergie transmise après traversée de la suspension est fonction de la concentration de la suspension. C'est le principe des granulomètres de type Sedigraph (marque déposée). Dans ce type d'appareil, le temps de mesure est réduit grâce à la possibilité de déplacer la cellule dans laquelle s'effectue la sédimentation. Il est ainsi possible, en moins de deux heures, d'obtenir la composition granulométrique en continu des particules comprises entre 100 et 0,1 µm. D'où la possibilité de déterminer aisément les teneurs en argiles grossières et en argiles fines, données inaccessibles par la seule méthode « pipette » (Delaune et al., 1991). Cette méthode est cependant tributaire de la composition chimique des particules. Les particules riches en fer absorbant plus fortement les rayons X, les fractions argiles peuvent être surestimées par rapport aux fractions limons.
D'autres méthodes enfin sont basées sur les propriétés de diffraction et de diffusion d'une suspension sur un faisceau laser. Les résultats obtenus sont assez différents de ceux acquis par les méthodes fondées sur la loi de Stokes. Et on n’évite toujours pas la nécessité d’obtenir une bonne dispersion des particules (voir ci-après).
Naturellement, des études comparatives ont été effectuées entre les résultats de ces méthodes et ceux obtenus à la pipette ou par densimétrie. Par exemple, après comparaison entre analyse par diffraction laser et méthode par sédimentation (pipette), Taubner et al. (2009) constatent des différences d’autant plus importantes qu’il s’agit de particules plus fines, et concluent ainsi : « la principale raison des divergences est le résultat des hypothèses de base des deux approches selon lesquelles toutes les particules sont de forme sphérique, ce qui n’est pas le cas des matériaux naturels. Les échantillons de sols présentent des compositions minéralogiques hétérogènes et des formes irrégulières. Les divergences croissantes depuis les limons grossiers traduisent les divergences entre la sphère quartzeuse idéale qui est assignée aux fractions grossières jusqu’à la fraction argiles qui est dominée par des particules aplaties. En outre, de grandes quantités de la fraction argiles ne peuvent pas être détectées par la diffraction laser pour des raisons optiques, tandis que la méthode pipette collecte toutes les particules inférieures au diamètre équivalent souhaité ».
Utilité
Si, par hypothèse, on ne pouvait disposer que d'une seule analyse d’un échantillon de sol, il faudrait choisir l'analyse granulométrique. La moins mauvaise façon de caractériser un horizon de sol avec un seul chiffre, c'est de donner son taux d'argile. En effet, la composition granulométrique est non seulement la caractéristique la plus fortement corrélée avec les autres données analytiques, mais elle conditionne directement et très étroitement les comportements et les fonctionnements d'un horizon (voir plus loin figures 4, 5 & 6). Il est donc tout-à-fait impossible de caractériser un horizon de sol sans connaître sa granulométrie. En outre, toutes les autres données analytiques ne pourront pas être valablement interprétées sans référence explicite à cette composition granulométrique et tout particulièrement au taux d'argile. En effet, l'argile est bien la fraction granulométrique la plus « active » car elle :
- s'associe aux matières organiques humifiées et/ou au fer,
- assure l'essentiel de la cohésion des agrégats,
- fixe les cations et anions sur ses sites d'échange,
- retient l'eau,
- gonfle et se rétracte,
- est susceptible de migrer dans certaines conditions.
Bruand a proposé un seuil de 30 % d'argile au-delà duquel on observe un comportement « argileux », probablement parce que les sables et limons sont alors entièrement noyés dans la masse argileuse (microstructure dite « porphyrique »).
Certes, il faut nuancer. Le taux d'argile n'exprime et n'explique pas tout : une argile sableuse se comporte différemment d'une argile lourde plastique ; un horizon argileux purement kaolinitique n'a pas les mêmes propriétés qu'un horizon argileux smectitique ; un sol argileux provenant d'une altération ancienne est fort différent d'un sol peu évolué développé dans un sédiment argileux, etc. La structure de l'horizon, son organisation interne (résultat de son histoire), son taux de matières organiques ou d'éléments grossiers, la garniture cationique de son complexe d'échange, la présence de calcaire, etc. auront aussi une importance non négligeable.
Quant au rôle des limons et sables, il doit être pris en compte lorsque l'échantillon comporte moins de 35% d'argile. D'après Chrétien (1986), la taille de ces éléments « conditionne directement les caractéristiques dimensionnelles du système poral... en rapport direct avec le comportement de l'eau dans les sols » (fonctionnement hydrique comme illuviation d'argile).
Méthode graphique de présentation des résultats : les diagrammes de texture
Les compositions granulométriques sont réduites à trois fractions (A, LT, ST) exprimées de façon à ce que la somme de ces trois fractions soit égale à 100% (annexe 6).
De par le monde, il en existe de nombreux modèles, mais le principe en est toujours le même, que le triangle soit équilatéral ou rectangle : on place la composition granulométrique selon 2 des 3 fractions (la troisième, égale au complément à 100%, n'est plus « libre »). Le point ainsi placé s’interprète en termes de classes texturales (figures 2 et 3).
Richer de Forges et al. (2008) ont consacré tout un article pour en faire l’inventaire et ils ne les citent pas tous.
En France, deux diagrammes sont couramment utilisés. Celui de Jamagne (1967) a été mis au point afin de mieux répondre aux problèmes posés par la cartographie des sols dans l'Aisne (fig. 2). Il comportait à l'origine 14 classes, puis 15.
Celui du GEPPA (fig. 3) a été publié en 1963 et comporte 17 classes. Il a été élaboré par un groupe d’agronomes et de pédologues à partir de sensations tactiles ressenties sur des prélèvements en provenance de tout le territoire métropolitain. Sa présentation la plus courante en triangle rectangle (axes de l'argile et des limons orthogonaux) est d'un usage extrêmement simple aussi bien pour situer une composition granulométrique que pour sa lecture ou sa fabrication rapide. Il n'est pas symétrique, mais on trouve facilement les taux de sables par différence (ST = 100 - [A + LT]).
En toute rigueur, le triangle du GEPPA devrait s'imposer comme norme française car c'est le seul qui émane d'un travail collectif de spécialistes français. Il semble avoir donné satisfaction à tous ceux qui s'en sont servi.
Que l’agronome ou le pédologue utilise l'un de ces deux triangles de texture ou qu'il en invente un autre pour ses propres besoins est relativement de peu d'importance, sauf exigence de normalisation. Ce qui importe, en revanche, lorsqu'on utilise un vocabulaire textural ou un triangle, c'est de bien citer sa référence : triangle connu ou triangle spécial.
Granulométrie et texture
(Voir aussi l’annexe 7) La texture est directement liée à la notion de composition granulométrique, qui peut être exprimée en utilisant un diagramme triangulaire (figures 2 et 3). Quel qu'en soit le modèle, celui-ci est divisé en classes texturales, lesquelles s'efforcent de relier une composition granulométrique à des comportements au champ spécifiques correspondant à des notions courantes telles que « argileux », « collant », « battant », « glaiseux », « sableux », etc. Dans ce sens, la texture est une expression synthétique de la composition granulométrique, sous la forme d'un adjectif (ex. : limono-argileux) ou d'un substantif (ex. : limon argileux).
Mais la texture est aussi un jugement global sur la composition granulométrique porté sur le terrain, grâce à des sensations tactiles (pétrissage entre les doigts) et aussi optiques et auditives (crissement des sables sur les outils métalliques), en l'absence de toute analyse (Baize & Jabiol, 2011). C'est ainsi que les agronomes et les pédologues, au cours de leurs travaux, portent un premier jugement immédiat. Une personne expérimentée peut parvenir à une estimation tactile extrêmement précise et fidèle, à condition de se ré-étalonner périodiquement et de ne pas « perdre la main ». Ce test de terrain, instantané et relativement performant, fait économiser un grand nombre d'analyses. Cependant, dans certains cas, des erreurs importantes peuvent être commises. Voici quatre cas de figure où l'estimation tactile s'avère sujette à caution :
- matériau argileux riche en matières organiques humifiées qui donnent une impression « limoneuse » ;
- textures limono-sableuses ressenties très différemment selon l'état d'humidité ;
- présence de nombreux gravillons ;
- abondance de particules micacées responsables d'un toucher onctueux.
Relations avec certaines propriétés physiques et agronomiques
De nombreux agronomes ont proposé des normes d'interprétation des compositions granulométriques, exprimées sous la forme de diagrammes triangulaires où sont figurées des classes de comportement prévisible :
- stabilité structurale, aptitude à la fissuration, risque d'asphyxie (fig. 4). Les auteurs de ces relations précisent bien les limites de validité de ces diagrammes qui concernent surtout les horizons de surface labourés ;
- aptitude au tassement (fig. 5) ;
- sensibilité à la battance (fig. 6).
Autres langues
- Anglais : granulometry
- Espagnol : granulometría
- Allemand : Korngröße
- Italien : granulometria
- Anglais : particle-size analysis, particle-size distribution, grain-size analysis, grain-size distribution
- Allemand : Korngrössenanalyse, Korngrössenverteilung
- Espagnol : analisis granulométrico, composición granulométrica
- Italien : analisi granulometrica, distribuzione granulometrica
Références citées
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- Andreasen A.H.M., Jensen W., Lundberg J., 1929. Ein Apparat fur die Dispersoidanalyse und einige Untersuchungen damit. Kolloid-Zeitschrift, 49 (3) : 253-265.
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