Des volumes de plusieurs milliers de kilomètres cubes de roches ignées, métamorphiques et sédimentaires sont impliqués dans l'altération bio-géochimique qui affecte la surface des continents. L'eau météorique est le facteur le plus important de ce processus. Elle dissout le CO₂ de l'atmosphère, nécessaire à l'altération des minéraux et des roches, interagit avec ceux-ci et la végétation qu'elle influence directement et, enfin, transporte les éléments dissous et les particules vers les rivières et les océans. La quantité d'eau de pluie qui tombe à la surface des continents est donc déterminante sur les vitesses d'altération et donc sur les bilans. C'est pourquoi, là où l'eau liquide est absente (zones désertiques ou zones glacées), l'altération bio-géochimique est, elle aussi, pratiquement absente ou négligeable et largement dominée par l'altération physique. Cette différence entre bio-géochimique et physique n'est plus toujours considérée, surtout si l'on s'applique à mesurer les bilans de l'altération globale à travers la composition chimique des eaux de rivière et de fleuve.

Néanmoins, Pédro [31] avait, en 1968, estimé à 14 % les surfaces des continents où l'altération bio-géochimique était négligeable. Pendant une décennie, l'altération bio-géochimique a été définie par les types de minéraux secondaires qu'elle engendrait (cf. références in [30]). La quantité d'eau de pluie (la pluviométrie) était traduite dans les réactions de bilans qui conduisaient à tel ou tel type de minéral d'altération, représentatif de tel ou tel type de couverture d'altération.

Rapidement, une voie d'étude des vitesses d'altération des roches est apparue à travers la mesure de la silice dissoute [34] évacuée par les eaux de percolation, de sources, de rivières, car elle semblait traduire à la fois les types d'altération et semblait résulter du lessivage des seuls minéraux silicatés des roches mères.

La complexité des systèmes d'altération est vite apparue. Tout d'abord, le rôle joué par la silice biogène, livrée au cours de la décomposition de la litière végétale. Un exemple marquant a été celui de l'Amazonie, étudié par Lucas et al. [19], où les bilans de la silice dissoute montraient une contribution de la silice biogène quatre fois plus importante que celle de la silice issue des minéraux silicatés, éclairant enfin le géochimiste et le pédologue sur l'existence des horizons supérieurs kaolinitiques des latosols amazoniens, alors que les modèles prédictifs thermodynamiques laissaient supposer, sur la seule hydrolyse des minéraux silicatés, la présence d'horizons gibbsitiques. Depuis, d'autres travaux [16,22] ont apporté nombre d'informations quant au rôle du cycle de la silice biogène dans les altérations supergènes. Dans ce volume, Meunier [21], en partant de quelques exemples de sols développés sur coulées basaltiques d'âges différents et sur une analyse bibliographique complète, souligne l'importance du rôle des plantes dans le cycle bio-géochimique de la silice.

Une autre voie d'estimation des vitesses d'altération des roches silicatées est de mesurer l'ion bicarbonate dissous HCO₃⁻ dans les eaux des rivières. L'avantage est de disposer ainsi, directement, de la consommation de CO₂ atmosphérique et de pouvoir approcher un aspect du bilan du CO₂ [10] :

Récemment, il a été suggéré que le climat, et en particulier la température, ne jouaient qu'un rôle mineur dans l'altération de roches, par comparaison au relief et à la lithologie, qui semblaient être les facteurs de contrôle dominant. Ce débat se retrouve dans ce volume à travers les contributions de Berner [2], de Dupré et al. [7] ; il a été illustré, lors du colloque, par l'intervention de Schrag [33]. Malheureusement, les vitesses d'altération discutées dans la littérature concernent des contextes historiques bien différents et donc parfois peu comparables. Bien plus, pour comprendre au niveau global et historique les bilans de CO₂ de la planète, notamment la consommation due à l'altération, il est nécessaire de considérer un pas de temps suffisamment long, de l'ordre de plusieurs centaines de milliers d'années, voire de millions d'années. R.A. Berner souligne notamment, dans ce volume, le rôle des plantes sur le bilan du CO₂ au Paléozoı̈que. Alors que D.P. Schrag présente une nouvelle théorie sur les évolutions à travers les temps géologiques du CO₂ atmosphérique, et donc du climat, en réexaminant les vitesses de dégazage du CO₂ en liaison avec les vitesses de subduction des fonds océaniques et des carbonates sédimentaires qu'ils portent. À d'autres échelles de temps, d'un ou deux siècles, et à la lumière des observations actuelles, l'augmentation évidente du CO₂ atmosphérique dû à l'action anthropique reste l'incertitude majeure dans la prédiction de l'évolution future du CO₂ et les rétroactions entre cycle du carbone et changement climatique. Ceci fait l'objet de la contribution de Gitz et Ciais [13], dans ce volume. À ces échelles de temps, le recul reste faible pour tirer des conclusions également sur les grands bilans des altérations.

L'exemple himalayen présenté dans ce volume par France-Lanord [8] montre, à travers l'analyse des flux dissous d'érosion et du flux de carbone organique particulaire, toute la difficulté, et donc toutes les incertitudes, qui pèsent sur l'évaluation des flux passés et sur les mécanismes mis en jeu autour de l'érosion, pour qu'on puisse véritablement tester l'effet climatique.

Les expérimentations de laboratoire, mieux contrôlées, mais hélas très simplifiées dans la prise en compte des paramètres d'altération, notamment ceux liés à la végétation, ont permis de mieux comprendre la cinétique d'altération des minéraux silicatés et de proposer, par type de minéraux et par type de roches, des vitesses d'altération [17,37]. Des modèles numériques, tels que ceux proposés par Montgomery [24] devraient également aider à cette compréhension.

L'école française a tout particulièrement étudié, au cours des cinquante dernières années le manteau d'altération latéritique. L'intérêt de telles études est multiple.

• 1. Il s'agit d'altérations bio-géochimiques qui fonctionnent depuis très longtemps et dont l'échelle de temps de référence peut être mesurée en plusieurs centaines de milliers d'années, voire en plusieurs dizaines de millions d'années.
• 2. Les latérites couvrent environ un tiers de toutes les terres émergées (Fig. 1) mais, à cause de leurs épaisseurs mesurées en dizaines de mètres, elles correspondent à plus de 85 % de la couverture des sols (couverture pédologique) existant à travers le monde.
• 3. En gros, ces latérites sont constituées, pour l'essentiel de kaolinites, d'oxydes et d'oxyhydroxydes de fer et d'aluminium. Tous ces minéraux se sont développés à partir de l'altération des minéraux silicatés parentaux et peuvent être considérés comme des minéraux authigéniques secondaires.
• 4. Plusieurs générations de ces minéraux secondaires existent et laissent supposer qu'ils marquent, par leur formation, des étapes sans cesse renouvelées des processus d'altération et donc qu'ils contiennent en eux les traces des conditions géochimiques qui ont prévalu lors de leur formation, à travers les centaines de milliers ou les millions d'années considérées.
• 5. Il n'y a plus de doute que, sur leur plus grande épaisseur (saprolites), les latérites ont préservé les textures, structures et volumes des minéraux et roches mères originales.

Les apports et les départs chimiques engendrés par les transferts de masse pendant l'altération latéritique peuvent donc être référés au volume préservé de la roche mère originelle tel que l'avaient proposé, il y a presque cinquante ans, Millot et Bonifas [23]. Cela reste, dans la saprolite, le terme de référence le plus fiable, puisque des éléments, comme le titane et le zirconium, que l'on considérait comme immobiles, apparaissent mobiles dans de nombreuses conditions de milieu propres aux latérites [27].

De l'étude de ces bilans, qu'il s'agisse de résultats d'expérimentations au laboratoire, d'observations des processus naturels ou de modélisations géochimiques qui s'appuient sur les mesures de terrain, les vitesses d'altération proposées peuvent varier d'un facteur de 10. Une saprolite constituée pour l'essentiel de kaolinite pourrait se différencier à des vitesses allant de 4 à 40 mm ka⁻¹. Ces valeurs tiennent compte de travaux récents, qui prennent en compte, dans les modélisations, le facteur biomasse [1,16,18,19,25,29]. Ce facteur biomasse, pris en compte, montre que les vitesses d'altération exprimées sont de 1,3 à 5 fois plus rapides que si l'on n'en tenait pas compte. Différentes tendances de ces vitesses d'altération peuvent exister, selon que l'on considère les roches silicatées acides ou les roches silicatées basiques, les roches fracturées et tectonisées par rapport à celles qui ne le sont pas [26].

Mais, puisqu'il s'agit de fronts d'altération développés aux dépens de la roche mère, c'est-à-dire de la formation de la saprolite, ces valeurs seraient plus élevées d'un tiers si l'on tenait compte aussi de la simulation des dynamiques de transport–réaction, qui agissent en couple lors de la dissolution et du remplacement des minéraux parentaux par les hydroxydes de fer ou d'aluminium [38].

En considérant les données qui tiennent compte de l'activité de la biomasse comme un guide dans l'estimation des vitesses de formation de profils kaolinitiques, on peut raisonnablement considérer qu'une couverture latéritique de 20 m d'épaisseur pourrait être différenciée en 500 ka. Ce qui voudrait dire que la totalité de la couverture latéritique à la surface des continents (dont la masse est estimée à environ 1,4×10¹⁵ tonnes de kaolinite) aurait pu être formée au cours des 500 000 dernières années. Ces données nous fournissent une idée du temps nécessaire à la formation d'une telle masse de kaolinite, mais ne nous permettent pas de dater les profils.

La plupart des couvertures latéritiques sont plus vieilles que 500 000 ans. Mais l'intérêt des données que nous venons d'exposer laisse penser qu'une grande part de la masse des kaolinites formées au cours des temps géologiques aurait pu être renouvelée au cours du dernier demi-million d'années.

À ce stade de raisonnement, plusieurs questions se posent à nous.

• – Tout d'abord, concernant l'âge des couvertures latéritiques, existe-t-il, dans les profils, des minéraux qui auraient fonctionné comme des micro-systèmes clos après leur formation, et qui donc seraient susceptibles d'être considérés comme des reliques des temps passés et d'être datés ?
• – Ensuite, les latérites sont-elles des indicateurs de paléoclimats ? Sur un pas de temps significatif, les couvertures latéritiques ont-elles gardé les stigmates des variations climatiques qui les ont affectées ?
• – Enfin, dans le Récent (derniers 500 ka), au vu des taux d'érosion qui affectent la surface des latérites, l'altération géochimique se poursuit-elle à un rythme suffisant pour que l'on puisse considérer que l'épaisseur de cette couverture se maintient ? Cette altération géochimique est-elle toujours active ?

La datation des profils d'altération n'a pu réellement avoir de signification que lorsque les techniques de séparation des phases minérales de très petites tailles (inférieures à quelques microns ou moins encore) et leur analyse in situ ont pu accompagner les progrès de la géochronologie isotopique. Un des premiers travaux fondateurs sur les altérations latéritiques fut celui de Vasconcelos et al. [36] sur des profils développés sur des roches mères manganésifères en Amazonie brésilienne. Dans les profils étudiés, plusieurs générations de cryptomélane (oxyhydroxyde de manganèse contenant quelques pour-cent de potassium structural) ont été décrites sous le microscope. Seules trois générations ont pu être, en gros, isolées et analysées par la méthode argon/argon. Les âges obtenus varient entre 40 et 60 Ma. D'autres analyses menées par Ruffet et al. [32] sur les mêmes profils, mais sur des séparations différentes des trois générations de cryptomélane donnent des âges qui s'échelonnent en gros sur la même fourchette, soit entre 35 et 70 Ma (Fig. 2). Mais, comparés à ceux obtenus par Vasconcelos et al. [36], les âges des cryptomélanes sont intermédiaires. Ces résultats laissent supposer des précipitations de cryptomélane complexes, et étalées dans le temps depuis le Crétacé supérieur jusqu'à l'Éocène supérieur. Depuis, d'autres cryptomélanes d'autres profils d'altération du Brésil ont pu être étudiées par les mêmes méthodes, indiquant des âges de fermeture du système à l'échelle du minéral, beaucoup plus jeunes. Par rapport aux schémas que les géomorphologues des altérations latéritiques définissaient par grandes périodes de pénéplénation correspondant à des étapes majeures de l'altération géochimique, les données de la géochronologie, tout en allant dans le sens du témoignage de telles périodes d'altérations anciennes majeures, laissaient apparaı̂tre des continuums dans l'altération. Pour mieux comprendre l'évolution des vieux paysages latéritiques, notamment lorsque ceux-ci portent des surfaces étagées d'âges différents, Vasconcelos et Stone [35] combinent, dans une étude du Queensland australien, les données ⁴⁰Ar/³⁹Ar obtenues sur des oxydes de manganèse, des alunites et des jarosites présentes dans les profils d'altération avec les données ²⁶Al, ¹⁰Be et ³⁶Cl, qui permettent de mesurer les vitesses d'érosion des parties supérieures des profils (voir l'article de Brown et al. [5], dans ce volume). Vasconcelos et Stone montrent que les taux d'érosion qui affectent les surfaces les plus vieilles (plateaux) sont nettement inférieurs (d'un facteur de 6 à 7) à ceux qui affectent les surfaces d'altération les plus récentes (plaines et vallées). Certaines latérites peuvent se retrouver dans des climats semi-arides, ainsi que le décrivent Gilkes et al. [11] dans le Sud-Ouest de l'Australie. Ces auteurs montrent le rôle joué par les alcalins dans le fonctionnement des latérites poreuses et leurs implications néfastes dans les problèmes environnementaux et agricoles. Ces résultats prennent tout leur intérêt dans le débat évoqué dans cet article sur le contrôle de l'altération par le relief/lithologie versus le climat/température.

Cette question d'âges hétérogènes étalés sur plusieurs dizaines de millions d'années conduit à la deuxième question, qui est celle des latérites indicateurs de paléoclimats.

Les relations entre l'altération des roches silicatées et les variations du CO₂ atmosphérique à travers les temps géologiques et les rétroactions nécessaires entre les deux ont fait l'objet de plusieurs débats scientifiques [3]. Cependant, c'est au cœur des minéraux authigènes issus de cette altération que des faits plus précis peuvent être obtenus grâce aux méthodes d'étude des isotopes stables, des isotopes radiogéniques, et même des isotopes cosmogéniques.

Les kaolinites et les oxyhydroxydes de fer étant ubiquistes dans l'altération latéritique, c'est sur eux que les analyses des isotopes stables de l'oxygène et de l'hydrogène, ou celles d'isotopes radiogéniques, ont porté.

De plus, les apports de la pétrologie et de la cristallochimie ont permis de montrer que plusieurs générations de kaolinite et d'oxyhydroxydes de fer constituaient les couvertures d'altération et que des relations d'ordres historique et génétique existaient entre ces minéraux. Les études isotopiques ont porté sur quelques générations séparées de ces minéraux, méthode qui seule permet de se fier aux résultats obtenus, ainsi que sur des échantillons d'eaux météoriques, de rivière, de percolations et de nappes, récoltés à l'endroit des profils.

Quelques exemples sont significatifs et portent également sur des latérites d'Amazonie. Ainsi, Girard et al. [12] ont obtenu des valeurs de δ¹⁸O cohérentes pour des gœthites de pseudomorphes de pyrites, se situant en moyenne autour de 1,3$‰$ dans le latosol et dans la saprolite jusqu'à 18 m de profondeur (Fig. 3). En se rapprochant du front d'altération, les valeurs de δ¹⁸O obtenues sont toujours cohérentes, mais plus élevées, autour de 2,9$‰$.

Pour des valeurs de δD, on retrouve les mêmes tendances cohérentes dans la partie haute de la saprolite et du latosol, et différentes vers la base.

Pour les kaolinites (Fig. 4), la tendance générale est une augmentation des valeurs de δ¹⁸O et δD avec la profondeur, avec néanmoins trois zones à distinguer : de 0 à 11 m, de 11 à 18 m et de 23 à 28 m. Pour les eaux récoltées, elles montrent une consistance dans la saprolite. Si on les porte sur un diagramme avec les valeurs d'eau calculées pour la formation de la gœthite (Fig. 5), on remarque qu'en profondeur, ces valeurs calculées pour ce minéral sont en équilibre isotopique pour l'oxygène et l'hydrogène avec les eaux de nappes actuelles et, ainsi, doivent avoir été formées sous des conditions identiques à celles d'aujourd'hui. Cette conclusion s'applique aussi aux kaolinites de la partie inférieure de la saprolite pour l'oxygène, mais pas pour l'hydrogène (Fig. 6). Ce dernier point mis à part, Girard et al. [12] suggèrent que kaolinites et gœthites de la base des saprolites ont dû être formées sous des conditions proches de celles qui prévalent de nos jours (conditions équatoriales), cependant que kaolinites et gœthites de la saprolite supérieure seraient plus vieilles et reflèteraient des conditions plus anciennes (conditions tropicales à saisons contrastées).

Les données d'isotopes stables obtenues par Girard et al. [12] sont en bonne adéquation avec les observations de terrain faites en Amazonie brésilienne [28], où les traces de cuirassement ferrugineux et de saprolites sous-jacentes, témoins de climats tropicaux à saisons contrastées, sont en haut de profils progressivement remplacées par des latosols développés sous climat équatorial actuel (Fig. 7).

Dans des profils latéritiques deux fois moins épais et développés sur granite en Amazonie brésilienne, Mathieu et al. [20] ont étudié le comportement des isotopes à vie courte de l'uranium et du thorium. Sur la Fig. 8, où sont reportés les rapports ²³⁸U/²³²Th versus ²³⁰Th/²³²Th, les points d'analyse de la saprolite sont situés au-dessus de l'équiligne. Il y a donc un excès de thorium 230 par rapport à l'uranium 238. Les échantillons A et B qui sont au contact roche-mère/saprolite ont déjà perdu en uranium par rapport à la roche mère saine. L'essentiel de la crise (perte d'uranium, gain relatif de thorium, suivis par des temps de croissance radioactive) se produit au front d'altération, donc très rapidement : les points des horizons d'altération sont groupés et éloignés de A et de B. L'éloignement du groupe d'échantillons altérés par rapport à A et B, s'il est dû au temps, montre (1) que la formation de ce groupe se place dans un laps de temps court, (2) à une époque dont l'âge est inférieur à 300 000 ans, temps nécessaire pour atteindre l'équilibre. En d'autres termes, l'ensemble du profil n'est pas à l'équilibre, et les agressions chimiques sont plus jeunes que la durée du chronomètre. Ou bien ce profil d'altération de 15 m d'épaisseur a moins de 300 000 ans, ou bien on a une preuve de l'incessant rééquilibrage du profil au fur et à mesure de son évolution.

Dans ce volume, Chabaux [6] met en évidence, sur un vieux profil latéritique cuirassé d'Afrique occidentale, les déséquilibres radioactifs ²³⁸U²³⁴U²³⁰Th présents à tous les niveaux, montrant ici aussi un déséquilibre géochimique, constant ou récent, dans une latérite vieille de plusieurs millions d'années.

Les mesures réalisées sur les isotopes de strontium par Innoncent et al. [15] sur des profils latéritiques développés au Parana (Brésil) sur roche mère basaltique montrent que, là encore, le basalte perd la plus grande partie de son strontium initial dès le premier stade d'altération. La tendance observée est à l'augmentation des rapports ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr au fur et à mesure que l'altération s'intensifie (sur échantillons de saprolites et de leurs eaux relatives).

Les bilans calculés aussi bien que les expériences de laboratoire menées sur le lessivage d'échantillons de kaolinite de la saprolite suggèrent que des taux significatifs de Sr radiogénique peuvent être lessivés de la saprolite pendant l'altération. Ainsi, la kaolinite de la saprolite peut successivement recueillir lors de sa formation du strontium des eaux d'altération, puis, en s'altérant, fournir à nouveau du strontium radiogénique aux eaux de percolation, qui vont, plus en profondeur, altérer la roche fraı̂che.

Les latérites reflètent donc à la fois des conditions de formation passées et des conditions actuelles de leur évolution. Si le front d'altération au contact de la roche mère semble relever d'un processus actuel, tout comme le front d'avancée du sol aux dépens de la saprolite, celle-ci montre une évolution plus lente, permettant d'y trouver encore les traces d'une histoire bio-géochimique plus ancienne. Mais cela ne veut pas dire que la saprolite soit, tout entière, le reflet du passé. L'approche pétrographique montre nettement que de nombreuses générations de kaolinite et d'oxydes se succèdent, tout comme les données des isotopes radioactifs montrent que les échanges sont continus.

La saprolite est prise en sandwich entre une évolution du sol par le haut et même une érosion et un front d'altération qui s'enfonce vers le bas. Les études récentes menées en Amazonie (Guyane française) par Freyssinet et Farah [9] et en Afrique dans le bassin du Niger par Boeglin et Probst [4] convergent sur l'estimation d'un approfondissement des couvertures latéritiques aux dépens des roches mères, plus rapide que l'érosion mécanique ou chimique en tête de profil. La différence entre les deux permet de militer pour un épaississement des latérites de l'ordre de 3 m pour le dernier million d'années (Fig. 9).

Une autre approche est l'estimation des taux d'érosion à travers les suspensions de kaolinite transportées par les rivières. Grout [14] a calculé ce flux à travers les données recueillies sur huit grands fleuves tropicaux (Amazone, Congo, Perle, Mékong, Rouge, Solo, Serayu). Elle obtient un flux d'environ 250×10⁶ t a⁻¹ de particules de kaolinite en suspension. Si l'on admet que la kaolinite est issue des sols latéritiques et que les variations climatiques dans la zone tropicale n'ont pas réellement et globalement affecté ces flux de kaolinite durant les dernières 500 000 années, on peut estimer que, durant un tel espace de temps, ce sont 1,25×10¹⁴ t qui ont été transportées des continents tropicaux vers les océans. Comparés à la masse de kaolinite estimée avoir été néoformée par l'altération latéritique au cours des derniers 500 000 ans, on note une variation d'un ordre de grandeur en faveur de l'altération géochimique.

Le manteau d'altération latéritique s'est approfondi, épaissi et transformé au cours du dernier demi-million d'années. La partie supérieure et la partie inférieure de ce manteau sont les plus réactives et traduisent surtout l'évolution actuelle sous des conditions climatiques prévalentes (tropical à saisons alternées versus équatorial humide). La partie intermédiaire de la saprolite, bien que réactive, montre une évolution plus lente, permettant d'y observer les traces de conditions climatiques plus anciennes. Lorsque les micro-systèmes géochimiques que représentent les minéraux sont fermés, comme certains cryptomélanes, ils peuvent même donner des indications d'âges, permettant d'affirmer que le manteau d'altération latéritique est la somme d'une évolution complexe fonctionnant depuis plusieurs dizaines de millions d'années, mais étant encore de nos jours en déséquilibre permanent.