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Caracterisation micromorphologique et hydrodynamique des niveaux structures par le gel Quaternaire dans les formations superficielles du bassin-versant de la Fecht (Vosges, France)
I CATENA
vol. 14, p.485M99
Braunschweig 1987 ]
CARACTERISATION MICROMORPHOLOGIQUE ET HYDRODYNAMIQUE DES NIVEAUX STRUCTURES PAR LE GEL QUATERNAIRE DANS LES FORMATIONS SUPERFICIELLES D U BASSIN-VERSANT DE LA FECHT (VOSGES, FRANCE) K.-S. Oh, D. Reutenauer and J.-L. Mercier, Strasbourg mentation de la densit+ apparente, une diminution de la r&ention et de la conLes formations superficielles d'origine ductivit6 hydraulique /t saturation qui p6riglaciaire couvrent l'essentiel des ver- s'oppose aux r&entions et conductivit& sants du bassin de la Fecht (Vos- 61ev&s de la zone p6dog~n&is&. En parges, France). L'&ude fine de ces ticulier le niveau d'ar6nes lit6es, du fait d6p6ts a montr6 des structures di- de la tr6s faible conductivit6 des bandes rectement et indirectement li&s au gel de mat6riel fin qu'il inclut, joue le r61e profond: structure lamellaire friable, d'un niveau 5. faible perm6abilit6 suscepstructure lamellaire compacte A coiffes, tible de ralentir les transferts hydriques ar6ne lit&, formation g61iflu6e fi blocs, et d'induire des d6placements obliques etc. Elles sont en g6n6ral bien con- /t l'int6rieur des formations superficielles, serv&s, sauf lorsqu'elles sont soumises d'ofi son importance dans un bilan hyla p6dogen6se actuelle. Les pro- drique stationnel. pri&6s hydrodynamiques des formations superficielles refl6tent nettement le r61e SUMMARY jou6 par les structures cryog6niques h6rit&s: l'analyse discriminante effectu& RELATIONS B E T W E E N montre qu'ind6pendamment du substrat C R Y O G E N I C S T R U C T U R E S A N D g6ologique l'action du gel est en grande H Y D R O D Y N A M I C P R O P E R T I E S IN partie responsable du comportement hy- SLOPE DEPOSITS OF F E C H T BASIN drique des formations. Dans les niveaux (VOSGES, FRANCE) Detritic superficial formations, covercryog6niques, on observe une nette auging most of the slope in Fecht basin (VosISSN 0341-8162 ges, France), are deposited in the course @1987 by CATENA VERLAG, of Quaternary cold periods. A detailed D-3302 Cremlingen-Destedt, W. Germany study on these deposits give evidence of 0341 8162/87/5011851/US$ 2.00 + 0.25
RESUME
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GEOMORPHOLOGY
Oh, Reutenauer & Mercier
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structures directly or indirectly associated with the action of deep freezing and thawing: laminated structure, compact laminated structure with silt caps, stratified displaced granitic regolith, gelifluction deposits, etc. The cryogenic structures are generally well conserved, unless they are submitted to actual pedogenesis. Their influence on the hydrodynamic properties of the slope deposits is noteworthy: according to discriminant analysis, hydric comportment in this porous medium is largely influenced by the herited cryogenic structures. These structures, conserved under the actual soil, present high bulk density, weak water retention and low saturated hydraulic conductivity which are clearly contrasted to the values obtained in the upper part of the profile submitted to the destruction by pedogenesis. Particularly displaced granit regoliths, because of the included few permeable bands of fine material, react as a zone that hinders hydric transfers and induces lateral flows in slope deposits. This fact plays an important role in stationnal hydric budget.
ne Ablagerungen haben starke scheinbare Dichte, schwaches RiJckhalteverm6gen und eine geringe ges~ittigte Wasserleitf~ihigkeit. Besonders der geschichtete Grus spielt, wegen seiner sehr schwachen, an die Feinmaterialbetten gebundene Wasserleitf~ihigkeit, die Rolle einer gehemmt durchl~issigen Schicht, er bestimmt daher hangparallele Wasserbewegungen, die ffir den Wasserhaushalt an einem Standort von Bedeutung sind. 1
INTRODUCTION
Dans les Vosges moyennes (France), comme c'est la r6gle dans l'ensemble des massifs cristallins d'Europe occidentale, la plupart des versants sont couverts par des formations superficielles dont la mise en place remonte aux p6riodes froides du Quaternaire (le Wurm pour l'essentiel), sous conditions p6riglaciaires. Leur profil vertical pr6sente trois faci6s: fi la base, la roche en place ar6nis6e ou fissur6e, puis une formation d'ar6nes lit6es d6plac6es par fauchage et, au sommet, une formation enrichie en limons et charg6e de blocs, mise en place par g~lifluxion. Ce type de s6quence se rencontre sur tous ZUSAMMENFASSUNG les substrats lithologiques de la vall6e de In dem Einzugsbecken der Fecht ist la Fecht (Granites, schisto-grauwackes, der gr06te Teil der Hangablagerungen gr6s). periglazialer Herkunft. Die mikroskoL'6tude microscopique de ces s6dipische Studie dieser Ablagerungen hat ments a montr~ des structures directedirekt oder indirekt an Frostwechsel ge- ment ou indirectement associ6es fi l'acbundene Strukturen aufgewiesen: locke- tion du gel et du d6gel (OH 1985). Ces re Bl~itterstrukturen, kompakte Bliitter- microstructures, seules ou en association, strukturen mit "silt capping" ("coiffes"), caract6risent un niveau donn~ dans le geschichteter Grus, blOckige Solifluk- profil mais elles s'expriment diff6rement tionsablagerungen. Die statistische Be- selon la nature du mat6riel qu'elles afarbeitung zeigt, dab die hydrodynami- fectent. L'observation de terrain et 1'6schen Eigenschaften der Ablagerungen rude micromorphologique ont permis de stark von dem Typus dieser vererbten d6gager une typologie descriptive et g6Froststrukturen abh~ingig sind. Nicht n6tique des niveaux cryog6niques et les v o n d e r rezenten Pedogenese betroffe- s6quences qui les associent. La termino-
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Formations Superlicielles P&iglaciaires, Vosges logie utilis+e se r6fTre fi l'aspect physiographique de ces formations sur le terrain, qui est l'expression macroscopique de la microorganisation du milieu. On constate sur le terrain que certains niveaux cryog6niques sont le si+ge d'une rbtention hydrique ou d'6coulements pr6ferentiels lors des +pisodes trTs humides. Ces observations ont orient+ nos recherches vers l'6tude du comportement hydrique de ces milieux poreux particuliers. Le comportement hydrique des formations superficielles est enti&ement d+crit par trois variables d'6tat; la teneur en eau volumique 0(cm3/cm3), la tension hydraulique ~p (exprimTe en cm d'eau) qui mesure l'+tat +nergTtique de l'eau du sol et la conductivit~ hydraulique K (cm/h) qui mesure l'aptitude du sol fi transmettre l'eau qu'il contient, en fonction de son 6tat de saturation. Les caract6ristiques hydrodynamiques d'une formation donn6e dTpendent de l'agencement de son espace poral: la courbe de r&ention hydrique est directement reliTe ~ la distribution de la taille des pores (par la loi de Jurin) et la gTomTtrie du r6seau d'Tcoulement conditionne la conductivit+ hydraulique. Les facteurs qui influent sur ces earact+ristiques et qui permettent d'appr6hender l'organisation du milieu poreux sont: • la texture ou distribution de la taille des particules minTrales • la structure qui en est l'arrangement et dont l'&ude micromorphCogique donne l'image rTelle • la teneur en matiTre organique, sous forme figur+e ou humifiTe, dans la zone p+dogTnetisTe. Enfin, pour un m~me niveau, les propri+tTs hydrodynamiques prTsentent une
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distribution unimodale, normale pour la r+tention, lognormale pour la conductivit+ hydraulique (AMBROISE & VIVILLE 1984). Le rapprochement de la typologie des formations superficielles et des propriTt6s physiques et hydrodynamiques du milieu correspondant vise donc fi: • une premiTre caract+risation des niveaux structur6s par le gel la mise en 6vidence de l'influence des mTcanismes morphop+dologiques sur les propriTt6s physiques et hydrodynamiques du matTriel considTr6 et de la diff+renciation verticale qui en rhsulte une tentative de gTnTralisation du rTle hydrodynamique des niveaux cryogTniques: on &udie la correspondance entre la typologie gTnTtique des formations superficielles et leurs propri+t6s hydrodynamiques.
2
LES METHODES
Etude microscopique: les 6chantillons prTlev~s, ~t structure conservTe et repTr+s dans l'espace, sont traitTs au laboratoire par une technique d'induration globale (vernis durcissant fi chaud). Les 6chantillons indurTs sont ensuite sci+s dans une direction appropriTe en vue de rTaliser les lames minces (6p. = 30p). Etude hydrodynamique: Echantillonnage: 10 sites caract~ristiques ont ~t+ retenus. 52 6chantillons ~ structure conserv+e y ont 6t+ pr+levTs dans des cylindres en acier inoxydable de 250 cm 3, ~_ raison de trois par niveau. (}EOMORPHOLOGY
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Fig. 1" Localisation des affleurement. Fig. 1" Outcrops localization. Site
Altenberg Bellevue Gaschney Hohneck [tohrodberg Luttenbach Markstein Sondernach Soultzeren Soultzermatt
ALTEN BELLE GASCH HOHNE HOHRO LUTTE MARKS SONDE SZEREN SOULT
ALT.
ORI.
PEN.
825 710 905 1240 825 533 1220 805 530 820
N140 NI80 N135 N220 N210 N330 N350 N340 N200 N150
12° 14° 05 ° 07 ° 12° 12° 07 ° 18° 10° 12°
SUB.
~,lh )'1 a73 ), 1-2 ,,' I-2H }'1 h2 h2 y I-2H 71
IIIa
IIIb
Ila
BR
+ + (9 + (9 + (9 (9 (9 +
+ + + O + + + (9 + (9
® (9
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Ia
lb
Ic
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(9 +
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(9 (9 (9
+ (9 +
ALT. - altitude, ORI. = orientation, PEN. = pent•, SUB. = substrat g6ologique ?,1-2, a';l-2h, a73: granites porphyro'l'des ~,'1 : granite ',i grains moyens 71h: granite fi grains fins h 2 : grauwackes du Vis6en Formation pr6sente dans le profih + , Formation ~chantillonn6e: (9
Tab. 1: Caractbristiques des sites ~chantillonnbs. Tab. 1' Sampled outcrops characteristics.
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F o r m a t i o n s Superficielles P&iglaciaires, Vosges
Traitement exp6rimental: pour chaque ~chantillon, on a mesur~ au laboratoire la courbe de r6tention hydrique par la m6thode du bac/t sable et fi kaolin ( S T A K M A N et al. 1969, V I V I L L E & A M B R O I S E 1982). On d~termine 9 points exp6rimentaux par la mesure de l'humidit~ volumique fi saturation, 5. ~p = 0 et aux pF 0.0, 0.4, 1.0, 1.5, 2.0, 2.3 et 2.7 (pF = LOgl0(tp)). On mesure en outre la conductivit~ hydraulique/t saturation par la m~thode du perm6am~tre/t charge constante et la densit~ apparente par s6chage/t l'6tuve (105°C). Traitement math6matique des donn~es: pour appr~hender globalement la courbe de r6tention hydrique, on ajuste les points exp~rimentaux fi une fonction math6matique d6velopp6e par VAN G E N U C H T E N (1980) et test6e dans une ~tude pr6c6dente (AMBROISE, A M I E T & M E R C I E R 1984). Cette fonction, qui comporte trois param6tres ind~pendants Or, fl = 1 - 1/c~, ~0, s'6nonce: 0 = Or + (Os -- Or)~(1 + (q;/q~O)~)/~)
(1)
avec Or - teneur en eau r~siduelle ~/,0 - donne une indication sur la position du point d'inflexion de la courbe de r~tention et :~ (ou fl) contrSle sa pente. 3
STRUCTURES IDENTIFIEES DANS LES FORMATIONS SUPERFICIELLES ET PROPRIETES PHYSIQUES ET HYDRODYNAMIQUES DU MATERIEL
Les microstructures observ~es sur les lames minces sont associ6es aux diff,rents niveaux de la s6quence tripartite typique de la r6gion 6tudi6e:
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• fi la base du profil, les ar6nes en place (type I) pr6sentent des structures lamellaires localement compact6es par des coiffes • d a n s les niveaux sus-jacents, les ar6nes fauch6es et lit6es (type II) sont caract6ris6es par l'alternance de bandes sableuses de couleur et de granulom6trie diff6rentes • au sommet, la formation enrichie en limons et charg6e de blocs (type III) doit sa structure au brassage du mat6riel par la g61ifluxion: on trouve fi la base de cette formation les traces d'une p~dogen6se ancienne tandis que dans sa partie sup6rieure la p6dogen~se actuelle d6truit les structures pr6existantes.
3.1
STRUCTURE LAMELLAIRE F R I A B L E D A N S L ' A R E N E EN P L A C E (type Ia)
Cette structure ne se trouve que sur granite ~ grain grossier. Elle est caract~ris6e par le d~coupage de l'ar~ne en lamelles millim6triques, parall61es ou subparall~les fi la topographie. U6paisseur des lamelles cro]t graduellement vers la profondeur. Au niveau microscopique, ce d6bit lamellaire est soulign6 par des macrofissures b6antes et continues (phot.1). Elles contiennent peu de rev~tements et de rares fragments min~raux. Des fissures plus fines, parall~les aux pr6c6dentes existent ~galement fi l'int6rieur des lamelles. Le d6bit du mat6riel en lamelles est dfi fi la progression en profondeur d'un gel lent et ~ la s6gr6gation en lentilles de l'eau emmagasin~e dans l'ar~ne. L'absence de materiel illuvi6 dans les fissures
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Photo 3: "Strates d'accumulation limoneuse" dans une bande fine ( ~paisse de quelques centim~tres) de l'ar~ne lithe (Soultzermatt, L.P.).
Photo 4: Un ensemble d'agrdgats ~mouss~s dans la formation gdliflu~e (Gaschney,
L.N. ). CA'] [~NA
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16g6rement 6largies montre que ce niveau a appartenu longtemps au perg+lisol. I1 pr+sente une densit6 apparente 6lev6e (DA = 1.59), une r6tention faible et une conductivit~ hydraulique ~ saturation relativement forte (KS = 16.4 cm/h).
le type Ib et KS = 1.64 cm/h pour le type Ic sur schisto-grauwackes), due fi la coalescence des coiffes.
3.3
S T R U C T U R E DES ARENES F A U C H E E S ET L I T E E S (type
lIa)
Ce niveau qui surmonte la roche en place ar~nis~e et/ou fissur~e est caract6ris~ par l'alternance de bandes sableuses de couleur et de granulom6trie (type Ib et Ic) diff~rentes. Les lits grossiers et les Cette structure, situ6e au sommet de filons de quartz qu'il inclut sont parl'arbne en place, constitue une forme de alleles fi la topographie mais, fi la faveur consolidation par insertion de "coiffes" de coupes tridimensionnelles, on peut du type d'ar6ne pr6c6dent. Le rythme mettre en ~vidence leur ancrage darts lameUaire y est produit par l'6gale 6pais- les niveaux sous-jacents: ceci milite en seur de rev~tements limoneux et sableux faveur d'un fauchage par ~tirement du d6pos6s sur la face sup6rieure des 616- materiel vers l'aval du versant accomments grossiers (phot.2). Lorsqu'ils n'ont pagn~ du d6crochement de feuillets sucpas ~t6 pertub6s ult6rieurement, ces rev~- cessifs. Dans ces ar~nes mises en place tements sont parall61es fi la surface topo- par fauchage, on a identifi~ deux facies graphique. Ces rev~tements ont 6t6 appe- diff6rents en fonction de l'importance du 16s "silt cappings" par F I T Z P A T R I C K d~placement: l'ar~ne fauch6e et l'ar6ne (1956) et "coiffes" par VAN VLIET- lit6e. Dans ces formations, l'6paisseur L A N O E (1982). Le m~me type de struc- des bandes varie de quelques millimbtres ture (type Ic) existe sur des s~ries s6di- /t quelques centim8tres. Elles contienmentaires anciennes (schisto-grauwackes nent 12% d'argile et 13% de limons en du Carbonifbre), mais sur cette roche tr6s moyenne. Les intervalles interbandes ont g61ive les "coiffes" couvrent de petits 10 fi 15 cm d'~paisseur et leur teneur en g61ifracts qui se trouvent ainsi consoli- argiles n'est plus que de 4%, pour 12% d~s. Ces structures lamellaires compac- de limons. tes sont typiques de la surface sommitale La plupart de ces bandes pr6sentent des Vosges. une couleur rouge. En combinant les L'enrichissement relatif de ce niveau observations macroscopiques et microen fines par la microg61ifraction, lors de scopiques, on a pu mettre en ~vidence la la fonte saisonni6re du mollisol, et la suite d'6v6nements responsables de ieur mise en place de coiffes sur les 616ments gen~se: tout d'abord, le materiel fin, grossiers, au moment des engels, ex- r8sultant d'une microg~lifraction active plique la r6tention plus forte observ6e dans le mollisol, a migr6 et s'est accumul6 dans ces formations. Le mat6riel pr6sente sur les discontinuit~s physiques (plans de une densit6 plus faible que dans le cas fauchage) sous forme de bandes continpr6c6dent (DA = 1.53) et une conduc- ues. La s6gr6gation de glace a structur6 tivitb inf6rieure (KS = 12.4 cm/h pour ce materiel en formant des rev~tements 3.2
STRUCTURE LAMELLAIRE COMPACTE A "COIFFES" DANS L ' A R E N E E N P L A C E
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silteux ou "coiffes" sur les 616ments uration est divis6e par 8. Ceci congrossiers, et des "strates d'accumulations firme le r61e hydrique particulier de ces limoneuses" (phot.3) semblables ~ celles niveaux. L'6chantillon 4 qui comprend d+crites par B O U L T O N & D E N T (1974) 1/3 seulement de bande d'illuviation a au Spitzberg. Ult6rieurement, des une r6tention qui s'apparente & celle des accumulations argilo-limoneuses rouges intervalles sableux et une conductivit6 se sont d+pos6es pr6f6rentiellement au hydraulique faible, typique des niveaux Les bandes d'illuviation niveau des bandes limoneuses, soulignant d'illuviation. ainsi le litage. Au microscope, ce mat6riel jouent donc un r61e qualitatif imporferruginis6 appara~t dans les vides sous tant dans le ralentissement des transferts forme de cutanes. I1 en r6sulte finalement d'eau fi l'int~rieur d'un profil. Les bandes bandes rouges que l'on peut rattacher des r6duites (type BR) riches en argile la famille des horizons "Bt en bandes" sont caract6ris6es par une tr+s forte dendes p6dologues, mais l'6tude micromor- sit6 apparente, une porosit6 faible et des phologique a montr6 que la structuration valeurs tr+s faibles de KS (DA = 1.87 et cryog6nique joue un r61e essentiel dans KS = 3.01 cm/h). leur gen6se. I I e n r6sulte finalement des bandes rouges que r o n peut rattacher 3.4 FORMATION ENRICHIE EN la famille des horizons "Bt en bandes" LIMONS ET C H A R G E E D E des p6dologues, mais l'6tude micromorBLOCS (type lllb) phologique a montr6 que la structuration cryog6nique joue un r61e essentiel dans Cette formation, ~paisse de 1 A 1.5 m, leur gen6se. riche en limons et charg4e de blocs anAu sommet de l'ar6ne lit6e, on trouve guleux, couvre presque tousles versants quelquefois des horizons r6duits (type du bassin de la Fecht, ~ rexception de BR = Bandes r6duites) de couleur grise ceux qui ont 6t6 retouch6s par l'action et tr6s riche en argiles. glaciaire. L'enrichissement en limons Globalement, ces formations pr6sen- qu'on y observe (20 ~ 30% de la fractent une densit~ 61ev6e (1.60), une r~ten- tion minbrale) provient de la persistion faible et une conductivit6 hydrau- tance en surface de conditions favorlique ~ saturation tr6s faible (5.8 cm/h). ables fi la microg~lifraction. I1 a favoris~ Cependant, les bandes altern6es qu'el- la g61ifluxion susceptible de vhhiculer les comportent pr6sentent des caract6ris- des cailloux et des blocs provenant de tiques hydrodynamiques nettement dif- la macroghlifraction des chicots. Ces f6rencibes. 4lhments grossiers sont dispos4s au A Soultzermatt (fig.3), la com- hasard mais leur grand axe est orient6 paraison des bandes d'accumulation dans le sens de la pente 16g6rement reAu niveau miargileuse et du milieu encaissant mon- dress6 vers le haut. tre l'accumulation absolue d'argile (14% croscopique (phot.4), la g6lifluxion, indans la bande contre 4%). Celle-ci a terfhrant avec la cryoturbation, a form6 un r61e double: d'une part, elle aug- un ensemble d'agr6gats 6mouss6s. La mente la r6tention hydrique dans toute presence simultan6e de ferriargilanes et la gamme des tensions, et d'autre part, de papules de marne nature atteste une elle augmente la densit6 apparente. En illuviation d'argile rouges, alors que le retour, la conductivit6 hydraulique 5, sat- mat4riel 4tait brass6 par la g6lifluxion.
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Ces phbnom+nes sont responsables de la rub6faction diffuse qu'on observe souvent ~t la base de la formation g61iflu6e. La p~dog6n+se actuelle (sol actuel = type IIIa) prend cet horizon rub~fi~ comme roche-m+re. La r6tention plus 61ev6e de ces niveaux s'explique par l'abondance de la fraction limoneuse. La structuration cryog6nique contrari6e par la g61ifluxion et la destruction des microstructures existantes par la p6dogen6se expliquent les valeurs 61ev6es de la conductivit6 hydraulique fi saturation qu'on y observe (KS = 21.1 cm/h).
sants aux propri&6s hydrodynamiques contrast6es conditionne la circulation de l'eau ~ l'int~rieur des formations superficielles: les mesures de laboratoire confirment donc le r61e particulier de certains niveaux structur6s par le gel dans les transferts hydriques. Les ar6nes lit6es en particulier, situ6es entre 1 et 2 m&res de profondeur, pr6sentent des valeurs de conductivit6 hydraulique /t saturation tr6s faibles relativement aux autres niveaux qui expliquent les 6coulements observ6s fi ce niveau.
5 4
LA D I F F E R E N C I A T I O N VERTICALE DES PROFILS
Les niveaux cryog6niques s'opposent par l'ensemble de leur propri6t+s tant au niveau sous jacent des ar6nes non structur6es (type Id) qu'fi la zone p~dogen&is6e (type IIIa). La structuration par le gel s'accompagne du tassement du mat6riel par la pression exerc6e par le gonflement des lentilles de glace lors des engels: elle a permis la conservation des microstructures cryog6niques et entraine une augmentation relative de la densit+ apparente et une diminution de la porosit6 totale (fig.2, a et b) dans les niveaux consid6r6s. En outre, elle a pour cons6quence une nette diminution de la conductivit6 hydraulique fi saturation, les valeurs les plus faibles 6tant celles du niveau d'ar6nes lit6es (type IIa), alors que la conductivit6 augmente fortement dans les ar~nes non structur~es sous-jacentes (fig.2c). Dans le sol actuel, la structure p6dologique est responsable des valeurs 61ev~es de la conductivit6 hydraulique saturation. La superposition des d6p6ts de ver-
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ANALYSE DISCRIMINANTE DES DONNEES
Afin d'6tablir leur port6e g6n6rale, les donn6es ont &6 trait6es par une analyse discriminante (AD) norm6e par la variance. Dans ce type de traitement, on affecte les 6chantillons ~ des groupes pr6&ablis (les 8 groupes de la typologie g6n&ique pr6alablement d+finis). Un accord de 82% a 6t6 obtenu entre la partition faite par l'algorithme et la typologie d6coulant des descriptions de terrain et de lames minces. Plusieurs analyses ont &6 effectu~es afin d'optimiser la fonction d'affectation des individus. Les variables utilis6es sont la profondeur de l'6chantillon PROF, la conductivit6 hydraulique ~. saturation KS, la densit6 apparente DA, la teneur en eau r6siduelle Or TRES, les param~tres ~Po PSIO et ~ ALFA. Pour faire ressortir l'information 61ementaire, on a suprim6 successivement la profondeur, qui pr6sentait un faible pouvoir discriminant 1i6 fi l'6volution g6omorphologique complexe des versants, et la porosit6, fortement correl6e fi la densit+ apparente (~ = -0.92), pour 61iminer l'information redon-
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Fig. 3: DiffErenciation des caract~ristiques hydrodynamiques entre les bandes de matkriel.fin et les intervalles sableux dans le niveau d'arEnes lit~es (respectivement 110 et 120 cm de profondeur). Fig. 3: Water retention curves of the fine material bands and the sandy intervals, in displacer regoliths (respectively 110 and 120 cm depth).
dante. On obtient ainsi une proportion de bien class+s de 82.4%. La fonction d'affectation montre que 45/52 individus sont classes dans leur groupe d'origine, i.e. se trouvent sur la diagonale du tableau crois6. Parmi les 7 individus mal class6s, 3 individus suppl6mentaires sont rattach6s ~ des niveaux imm~diatement sus ou sous-jacents. La contribution l'inertie du premier axe discriminant est de 50.9%. I1 est fortement corr61~ avec la densit6 apparente, moins fortement & la teneur en eau r6siduelle, et oppose les niveaux de surface (sol actuel et formation g61iflu6e) aux niveaux cryog6niques et en particulier aux bandes r6duites (BR), de densit~ tr6s 61ev6e. La seconde composante discriminante, qui explique 28.2% de la variance, est fortement li6e avec les param6tres ~p0 et ~. La forme
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des courbes de r6tention hydrique constirue donc un facteur de s6gr~gation entre les groupes. Cet axe oppose les niveaux granulom6trie fine (bandes r6duites et structure lamellaire sur alt6rites fines des grauwackes) aux niveaux fi texture plus grossi6re caract6ris6s par une forme sigmo'/de tr+s accus+e des courbes 0(pF). Enfin, la troisi+me composante discriminante (contribution ~ l'inertie 18.3%), uniquement corr~l~e avec la conductivit8 hydraulique fi saturation, souligne le r61e de cette derni~re w~riable dans la discrimination des groupes. La qualit6 de la discrimination des groupes ~t partir des variables physiques et hydrodynamiques du milieu met en 6vidence l'influence des microstructures h~rit6es sur le comportement hydrique des formations superficielles et 6tablit sa
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port~e gbn6rale.
6
catchment, Vosges (France). Z. f. Geomorph. (Suppl. Bd.), (a paraltre).
CONCLUSION
Dans cette 6tude, nous avons tent6 une liaison entre deux approches compl6mentaires en g~omorphologie: d'une part la mise en 6vidence de niveaux d'origine cryog+nique dans les formations superficielles et, d'autre part, la caract6risation hydrodynamique de ceux-ci. On a ainsi pu 6tablir la correspondance entre le type g6n+tique du mat+riel et ses propri6t~s hydrodynamiques. La qualit6 de la partition effectu6e par l'analyse discriminante /t partir des seuls critbres g6n&iques souligne l'importance des m~canismes li~s au gel dans l'acquisition des propri~t6s hydrodynamiques actuelles. Cet apport m6thodologique doit contribuer ~i terme /tune mod61isation rbaliste des transferts hydriques int6grant la variabilit6 spatiale des propri6t6s hydrodynamiques et leur diff6renciation verticale.
REMERCIEMENTS Nous tenons ~ remercier I'U.E.R. de G6ologie de Strasbourg off ont Ot6 r6alis6es les lames minces et le Laboratoire de SOdimentologie du Centre de GOographie AppliquOe de Strasbourg off ont 6t6 effectuOes les analyses granulom&riques. Cette 6tude a 6t6 r6alisOe dans le cadre du programme PIREN- Eau/Alsace (Centre National de la Recherche Scientifique, Minist6re de l'Environnement, ROgion Alsace).
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Address of authors: K.S. Oh, D. Reutenauer, J.L. Mercier Centre d'Etudes et de Rechcrches Eco-G6ographiques, Universit6 Louis Pasteur 3, rue de l'Argonne 67083 Strasbourg Cedex - France
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vol. 14, p.485M99
Braunschweig 1987 ]
CARACTERISATION MICROMORPHOLOGIQUE ET HYDRODYNAMIQUE DES NIVEAUX STRUCTURES PAR LE GEL QUATERNAIRE DANS LES FORMATIONS SUPERFICIELLES D U BASSIN-VERSANT DE LA FECHT (VOSGES, FRANCE) K.-S. Oh, D. Reutenauer and J.-L. Mercier, Strasbourg mentation de la densit+ apparente, une diminution de la r&ention et de la conLes formations superficielles d'origine ductivit6 hydraulique /t saturation qui p6riglaciaire couvrent l'essentiel des ver- s'oppose aux r&entions et conductivit& sants du bassin de la Fecht (Vos- 61ev&s de la zone p6dog~n&is&. En parges, France). L'&ude fine de ces ticulier le niveau d'ar6nes lit6es, du fait d6p6ts a montr6 des structures di- de la tr6s faible conductivit6 des bandes rectement et indirectement li&s au gel de mat6riel fin qu'il inclut, joue le r61e profond: structure lamellaire friable, d'un niveau 5. faible perm6abilit6 suscepstructure lamellaire compacte A coiffes, tible de ralentir les transferts hydriques ar6ne lit&, formation g61iflu6e fi blocs, et d'induire des d6placements obliques etc. Elles sont en g6n6ral bien con- /t l'int6rieur des formations superficielles, serv&s, sauf lorsqu'elles sont soumises d'ofi son importance dans un bilan hyla p6dogen6se actuelle. Les pro- drique stationnel. pri&6s hydrodynamiques des formations superficielles refl6tent nettement le r61e SUMMARY jou6 par les structures cryog6niques h6rit&s: l'analyse discriminante effectu& RELATIONS B E T W E E N montre qu'ind6pendamment du substrat C R Y O G E N I C S T R U C T U R E S A N D g6ologique l'action du gel est en grande H Y D R O D Y N A M I C P R O P E R T I E S IN partie responsable du comportement hy- SLOPE DEPOSITS OF F E C H T BASIN drique des formations. Dans les niveaux (VOSGES, FRANCE) Detritic superficial formations, covercryog6niques, on observe une nette auging most of the slope in Fecht basin (VosISSN 0341-8162 ges, France), are deposited in the course @1987 by CATENA VERLAG, of Quaternary cold periods. A detailed D-3302 Cremlingen-Destedt, W. Germany study on these deposits give evidence of 0341 8162/87/5011851/US$ 2.00 + 0.25
RESUME
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structures directly or indirectly associated with the action of deep freezing and thawing: laminated structure, compact laminated structure with silt caps, stratified displaced granitic regolith, gelifluction deposits, etc. The cryogenic structures are generally well conserved, unless they are submitted to actual pedogenesis. Their influence on the hydrodynamic properties of the slope deposits is noteworthy: according to discriminant analysis, hydric comportment in this porous medium is largely influenced by the herited cryogenic structures. These structures, conserved under the actual soil, present high bulk density, weak water retention and low saturated hydraulic conductivity which are clearly contrasted to the values obtained in the upper part of the profile submitted to the destruction by pedogenesis. Particularly displaced granit regoliths, because of the included few permeable bands of fine material, react as a zone that hinders hydric transfers and induces lateral flows in slope deposits. This fact plays an important role in stationnal hydric budget.
ne Ablagerungen haben starke scheinbare Dichte, schwaches RiJckhalteverm6gen und eine geringe ges~ittigte Wasserleitf~ihigkeit. Besonders der geschichtete Grus spielt, wegen seiner sehr schwachen, an die Feinmaterialbetten gebundene Wasserleitf~ihigkeit, die Rolle einer gehemmt durchl~issigen Schicht, er bestimmt daher hangparallele Wasserbewegungen, die ffir den Wasserhaushalt an einem Standort von Bedeutung sind. 1
INTRODUCTION
Dans les Vosges moyennes (France), comme c'est la r6gle dans l'ensemble des massifs cristallins d'Europe occidentale, la plupart des versants sont couverts par des formations superficielles dont la mise en place remonte aux p6riodes froides du Quaternaire (le Wurm pour l'essentiel), sous conditions p6riglaciaires. Leur profil vertical pr6sente trois faci6s: fi la base, la roche en place ar6nis6e ou fissur6e, puis une formation d'ar6nes lit6es d6plac6es par fauchage et, au sommet, une formation enrichie en limons et charg6e de blocs, mise en place par g~lifluxion. Ce type de s6quence se rencontre sur tous ZUSAMMENFASSUNG les substrats lithologiques de la vall6e de In dem Einzugsbecken der Fecht ist la Fecht (Granites, schisto-grauwackes, der gr06te Teil der Hangablagerungen gr6s). periglazialer Herkunft. Die mikroskoL'6tude microscopique de ces s6dipische Studie dieser Ablagerungen hat ments a montr~ des structures directedirekt oder indirekt an Frostwechsel ge- ment ou indirectement associ6es fi l'acbundene Strukturen aufgewiesen: locke- tion du gel et du d6gel (OH 1985). Ces re Bl~itterstrukturen, kompakte Bliitter- microstructures, seules ou en association, strukturen mit "silt capping" ("coiffes"), caract6risent un niveau donn~ dans le geschichteter Grus, blOckige Solifluk- profil mais elles s'expriment diff6rement tionsablagerungen. Die statistische Be- selon la nature du mat6riel qu'elles afarbeitung zeigt, dab die hydrodynami- fectent. L'observation de terrain et 1'6schen Eigenschaften der Ablagerungen rude micromorphologique ont permis de stark von dem Typus dieser vererbten d6gager une typologie descriptive et g6Froststrukturen abh~ingig sind. Nicht n6tique des niveaux cryog6niques et les v o n d e r rezenten Pedogenese betroffe- s6quences qui les associent. La termino-
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Formations Superlicielles P&iglaciaires, Vosges logie utilis+e se r6fTre fi l'aspect physiographique de ces formations sur le terrain, qui est l'expression macroscopique de la microorganisation du milieu. On constate sur le terrain que certains niveaux cryog6niques sont le si+ge d'une rbtention hydrique ou d'6coulements pr6ferentiels lors des +pisodes trTs humides. Ces observations ont orient+ nos recherches vers l'6tude du comportement hydrique de ces milieux poreux particuliers. Le comportement hydrique des formations superficielles est enti&ement d+crit par trois variables d'6tat; la teneur en eau volumique 0(cm3/cm3), la tension hydraulique ~p (exprimTe en cm d'eau) qui mesure l'+tat +nergTtique de l'eau du sol et la conductivit~ hydraulique K (cm/h) qui mesure l'aptitude du sol fi transmettre l'eau qu'il contient, en fonction de son 6tat de saturation. Les caract6ristiques hydrodynamiques d'une formation donn6e dTpendent de l'agencement de son espace poral: la courbe de r&ention hydrique est directement reliTe ~ la distribution de la taille des pores (par la loi de Jurin) et la gTomTtrie du r6seau d'Tcoulement conditionne la conductivit+ hydraulique. Les facteurs qui influent sur ces earact+ristiques et qui permettent d'appr6hender l'organisation du milieu poreux sont: • la texture ou distribution de la taille des particules minTrales • la structure qui en est l'arrangement et dont l'&ude micromorphCogique donne l'image rTelle • la teneur en matiTre organique, sous forme figur+e ou humifiTe, dans la zone p+dogTnetisTe. Enfin, pour un m~me niveau, les propri+tTs hydrodynamiques prTsentent une
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distribution unimodale, normale pour la r+tention, lognormale pour la conductivit+ hydraulique (AMBROISE & VIVILLE 1984). Le rapprochement de la typologie des formations superficielles et des propriTt6s physiques et hydrodynamiques du milieu correspondant vise donc fi: • une premiTre caract+risation des niveaux structur6s par le gel la mise en 6vidence de l'influence des mTcanismes morphop+dologiques sur les propriTt6s physiques et hydrodynamiques du matTriel considTr6 et de la diff+renciation verticale qui en rhsulte une tentative de gTnTralisation du rTle hydrodynamique des niveaux cryogTniques: on &udie la correspondance entre la typologie gTnTtique des formations superficielles et leurs propri+t6s hydrodynamiques.
2
LES METHODES
Etude microscopique: les 6chantillons prTlev~s, ~t structure conservTe et repTr+s dans l'espace, sont traitTs au laboratoire par une technique d'induration globale (vernis durcissant fi chaud). Les 6chantillons indurTs sont ensuite sci+s dans une direction appropriTe en vue de rTaliser les lames minces (6p. = 30p). Etude hydrodynamique: Echantillonnage: 10 sites caract~ristiques ont ~t+ retenus. 52 6chantillons ~ structure conserv+e y ont 6t+ pr+levTs dans des cylindres en acier inoxydable de 250 cm 3, ~_ raison de trois par niveau. (}EOMORPHOLOGY
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long, 7 ' S E , t Mun=t., '1=~ 48*2 Nord
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Fig. 1" Localisation des affleurement. Fig. 1" Outcrops localization. Site
Altenberg Bellevue Gaschney Hohneck [tohrodberg Luttenbach Markstein Sondernach Soultzeren Soultzermatt
ALTEN BELLE GASCH HOHNE HOHRO LUTTE MARKS SONDE SZEREN SOULT
ALT.
ORI.
PEN.
825 710 905 1240 825 533 1220 805 530 820
N140 NI80 N135 N220 N210 N330 N350 N340 N200 N150
12° 14° 05 ° 07 ° 12° 12° 07 ° 18° 10° 12°
SUB.
~,lh )'1 a73 ), 1-2 ,,' I-2H }'1 h2 h2 y I-2H 71
IIIa
IIIb
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+ + (9 + (9 + (9 (9 (9 +
+ + + O + + + (9 + (9
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Ia
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Ic
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(9 +
•
(9 (9 (9
+ (9 +
ALT. - altitude, ORI. = orientation, PEN. = pent•, SUB. = substrat g6ologique ?,1-2, a';l-2h, a73: granites porphyro'l'des ~,'1 : granite ',i grains moyens 71h: granite fi grains fins h 2 : grauwackes du Vis6en Formation pr6sente dans le profih + , Formation ~chantillonn6e: (9
Tab. 1: Caractbristiques des sites ~chantillonnbs. Tab. 1' Sampled outcrops characteristics.
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Traitement exp6rimental: pour chaque ~chantillon, on a mesur~ au laboratoire la courbe de r6tention hydrique par la m6thode du bac/t sable et fi kaolin ( S T A K M A N et al. 1969, V I V I L L E & A M B R O I S E 1982). On d~termine 9 points exp6rimentaux par la mesure de l'humidit~ volumique fi saturation, 5. ~p = 0 et aux pF 0.0, 0.4, 1.0, 1.5, 2.0, 2.3 et 2.7 (pF = LOgl0(tp)). On mesure en outre la conductivit~ hydraulique/t saturation par la m~thode du perm6am~tre/t charge constante et la densit~ apparente par s6chage/t l'6tuve (105°C). Traitement math6matique des donn~es: pour appr~hender globalement la courbe de r6tention hydrique, on ajuste les points exp~rimentaux fi une fonction math6matique d6velopp6e par VAN G E N U C H T E N (1980) et test6e dans une ~tude pr6c6dente (AMBROISE, A M I E T & M E R C I E R 1984). Cette fonction, qui comporte trois param6tres ind~pendants Or, fl = 1 - 1/c~, ~0, s'6nonce: 0 = Or + (Os -- Or)~(1 + (q;/q~O)~)/~)
(1)
avec Or - teneur en eau r~siduelle ~/,0 - donne une indication sur la position du point d'inflexion de la courbe de r~tention et :~ (ou fl) contrSle sa pente. 3
STRUCTURES IDENTIFIEES DANS LES FORMATIONS SUPERFICIELLES ET PROPRIETES PHYSIQUES ET HYDRODYNAMIQUES DU MATERIEL
Les microstructures observ~es sur les lames minces sont associ6es aux diff,rents niveaux de la s6quence tripartite typique de la r6gion 6tudi6e:
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• fi la base du profil, les ar6nes en place (type I) pr6sentent des structures lamellaires localement compact6es par des coiffes • d a n s les niveaux sus-jacents, les ar6nes fauch6es et lit6es (type II) sont caract6ris6es par l'alternance de bandes sableuses de couleur et de granulom6trie diff6rentes • au sommet, la formation enrichie en limons et charg6e de blocs (type III) doit sa structure au brassage du mat6riel par la g61ifluxion: on trouve fi la base de cette formation les traces d'une p~dogen6se ancienne tandis que dans sa partie sup6rieure la p6dogen~se actuelle d6truit les structures pr6existantes.
3.1
STRUCTURE LAMELLAIRE F R I A B L E D A N S L ' A R E N E EN P L A C E (type Ia)
Cette structure ne se trouve que sur granite ~ grain grossier. Elle est caract~ris6e par le d~coupage de l'ar~ne en lamelles millim6triques, parall61es ou subparall~les fi la topographie. U6paisseur des lamelles cro]t graduellement vers la profondeur. Au niveau microscopique, ce d6bit lamellaire est soulign6 par des macrofissures b6antes et continues (phot.1). Elles contiennent peu de rev~tements et de rares fragments min~raux. Des fissures plus fines, parall~les aux pr6c6dentes existent ~galement fi l'int6rieur des lamelles. Le d6bit du mat6riel en lamelles est dfi fi la progression en profondeur d'un gel lent et ~ la s6gr6gation en lentilles de l'eau emmagasin~e dans l'ar~ne. L'absence de materiel illuvi6 dans les fissures
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Photo 3: "Strates d'accumulation limoneuse" dans une bande fine ( ~paisse de quelques centim~tres) de l'ar~ne lithe (Soultzermatt, L.P.).
Photo 4: Un ensemble d'agrdgats ~mouss~s dans la formation gdliflu~e (Gaschney,
L.N. ). CA'] [~NA
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16g6rement 6largies montre que ce niveau a appartenu longtemps au perg+lisol. I1 pr+sente une densit6 apparente 6lev6e (DA = 1.59), une r6tention faible et une conductivit~ hydraulique ~ saturation relativement forte (KS = 16.4 cm/h).
le type Ib et KS = 1.64 cm/h pour le type Ic sur schisto-grauwackes), due fi la coalescence des coiffes.
3.3
S T R U C T U R E DES ARENES F A U C H E E S ET L I T E E S (type
lIa)
Ce niveau qui surmonte la roche en place ar~nis~e et/ou fissur~e est caract6ris~ par l'alternance de bandes sableuses de couleur et de granulom6trie (type Ib et Ic) diff~rentes. Les lits grossiers et les Cette structure, situ6e au sommet de filons de quartz qu'il inclut sont parl'arbne en place, constitue une forme de alleles fi la topographie mais, fi la faveur consolidation par insertion de "coiffes" de coupes tridimensionnelles, on peut du type d'ar6ne pr6c6dent. Le rythme mettre en ~vidence leur ancrage darts lameUaire y est produit par l'6gale 6pais- les niveaux sous-jacents: ceci milite en seur de rev~tements limoneux et sableux faveur d'un fauchage par ~tirement du d6pos6s sur la face sup6rieure des 616- materiel vers l'aval du versant accomments grossiers (phot.2). Lorsqu'ils n'ont pagn~ du d6crochement de feuillets sucpas ~t6 pertub6s ult6rieurement, ces rev~- cessifs. Dans ces ar~nes mises en place tements sont parall61es fi la surface topo- par fauchage, on a identifi~ deux facies graphique. Ces rev~tements ont 6t6 appe- diff6rents en fonction de l'importance du 16s "silt cappings" par F I T Z P A T R I C K d~placement: l'ar~ne fauch6e et l'ar6ne (1956) et "coiffes" par VAN VLIET- lit6e. Dans ces formations, l'6paisseur L A N O E (1982). Le m~me type de struc- des bandes varie de quelques millimbtres ture (type Ic) existe sur des s~ries s6di- /t quelques centim8tres. Elles contienmentaires anciennes (schisto-grauwackes nent 12% d'argile et 13% de limons en du Carbonifbre), mais sur cette roche tr6s moyenne. Les intervalles interbandes ont g61ive les "coiffes" couvrent de petits 10 fi 15 cm d'~paisseur et leur teneur en g61ifracts qui se trouvent ainsi consoli- argiles n'est plus que de 4%, pour 12% d~s. Ces structures lamellaires compac- de limons. tes sont typiques de la surface sommitale La plupart de ces bandes pr6sentent des Vosges. une couleur rouge. En combinant les L'enrichissement relatif de ce niveau observations macroscopiques et microen fines par la microg61ifraction, lors de scopiques, on a pu mettre en ~vidence la la fonte saisonni6re du mollisol, et la suite d'6v6nements responsables de ieur mise en place de coiffes sur les 616ments gen~se: tout d'abord, le materiel fin, grossiers, au moment des engels, ex- r8sultant d'une microg~lifraction active plique la r6tention plus forte observ6e dans le mollisol, a migr6 et s'est accumul6 dans ces formations. Le mat6riel pr6sente sur les discontinuit~s physiques (plans de une densit6 plus faible que dans le cas fauchage) sous forme de bandes continpr6c6dent (DA = 1.53) et une conduc- ues. La s6gr6gation de glace a structur6 tivitb inf6rieure (KS = 12.4 cm/h pour ce materiel en formant des rev~tements 3.2
STRUCTURE LAMELLAIRE COMPACTE A "COIFFES" DANS L ' A R E N E E N P L A C E
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silteux ou "coiffes" sur les 616ments uration est divis6e par 8. Ceci congrossiers, et des "strates d'accumulations firme le r61e hydrique particulier de ces limoneuses" (phot.3) semblables ~ celles niveaux. L'6chantillon 4 qui comprend d+crites par B O U L T O N & D E N T (1974) 1/3 seulement de bande d'illuviation a au Spitzberg. Ult6rieurement, des une r6tention qui s'apparente & celle des accumulations argilo-limoneuses rouges intervalles sableux et une conductivit6 se sont d+pos6es pr6f6rentiellement au hydraulique faible, typique des niveaux Les bandes d'illuviation niveau des bandes limoneuses, soulignant d'illuviation. ainsi le litage. Au microscope, ce mat6riel jouent donc un r61e qualitatif imporferruginis6 appara~t dans les vides sous tant dans le ralentissement des transferts forme de cutanes. I1 en r6sulte finalement d'eau fi l'int~rieur d'un profil. Les bandes bandes rouges que l'on peut rattacher des r6duites (type BR) riches en argile la famille des horizons "Bt en bandes" sont caract6ris6es par une tr+s forte dendes p6dologues, mais l'6tude micromor- sit6 apparente, une porosit6 faible et des phologique a montr6 que la structuration valeurs tr+s faibles de KS (DA = 1.87 et cryog6nique joue un r61e essentiel dans KS = 3.01 cm/h). leur gen6se. I I e n r6sulte finalement des bandes rouges que r o n peut rattacher 3.4 FORMATION ENRICHIE EN la famille des horizons "Bt en bandes" LIMONS ET C H A R G E E D E des p6dologues, mais l'6tude micromorBLOCS (type lllb) phologique a montr6 que la structuration cryog6nique joue un r61e essentiel dans Cette formation, ~paisse de 1 A 1.5 m, leur gen6se. riche en limons et charg4e de blocs anAu sommet de l'ar6ne lit6e, on trouve guleux, couvre presque tousles versants quelquefois des horizons r6duits (type du bassin de la Fecht, ~ rexception de BR = Bandes r6duites) de couleur grise ceux qui ont 6t6 retouch6s par l'action et tr6s riche en argiles. glaciaire. L'enrichissement en limons Globalement, ces formations pr6sen- qu'on y observe (20 ~ 30% de la fractent une densit~ 61ev6e (1.60), une r~ten- tion minbrale) provient de la persistion faible et une conductivit6 hydrau- tance en surface de conditions favorlique ~ saturation tr6s faible (5.8 cm/h). ables fi la microg~lifraction. I1 a favoris~ Cependant, les bandes altern6es qu'el- la g61ifluxion susceptible de vhhiculer les comportent pr6sentent des caract6ris- des cailloux et des blocs provenant de tiques hydrodynamiques nettement dif- la macroghlifraction des chicots. Ces f6rencibes. 4lhments grossiers sont dispos4s au A Soultzermatt (fig.3), la com- hasard mais leur grand axe est orient6 paraison des bandes d'accumulation dans le sens de la pente 16g6rement reAu niveau miargileuse et du milieu encaissant mon- dress6 vers le haut. tre l'accumulation absolue d'argile (14% croscopique (phot.4), la g6lifluxion, indans la bande contre 4%). Celle-ci a terfhrant avec la cryoturbation, a form6 un r61e double: d'une part, elle aug- un ensemble d'agr6gats 6mouss6s. La mente la r6tention hydrique dans toute presence simultan6e de ferriargilanes et la gamme des tensions, et d'autre part, de papules de marne nature atteste une elle augmente la densit6 apparente. En illuviation d'argile rouges, alors que le retour, la conductivit6 hydraulique 5, sat- mat4riel 4tait brass6 par la g6lifluxion.
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Ces phbnom+nes sont responsables de la rub6faction diffuse qu'on observe souvent ~t la base de la formation g61iflu6e. La p~dog6n+se actuelle (sol actuel = type IIIa) prend cet horizon rub~fi~ comme roche-m+re. La r6tention plus 61ev6e de ces niveaux s'explique par l'abondance de la fraction limoneuse. La structuration cryog6nique contrari6e par la g61ifluxion et la destruction des microstructures existantes par la p6dogen6se expliquent les valeurs 61ev6es de la conductivit6 hydraulique fi saturation qu'on y observe (KS = 21.1 cm/h).
sants aux propri&6s hydrodynamiques contrast6es conditionne la circulation de l'eau ~ l'int~rieur des formations superficielles: les mesures de laboratoire confirment donc le r61e particulier de certains niveaux structur6s par le gel dans les transferts hydriques. Les ar6nes lit6es en particulier, situ6es entre 1 et 2 m&res de profondeur, pr6sentent des valeurs de conductivit6 hydraulique /t saturation tr6s faibles relativement aux autres niveaux qui expliquent les 6coulements observ6s fi ce niveau.
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LA D I F F E R E N C I A T I O N VERTICALE DES PROFILS
Les niveaux cryog6niques s'opposent par l'ensemble de leur propri6t+s tant au niveau sous jacent des ar6nes non structur6es (type Id) qu'fi la zone p~dogen&is6e (type IIIa). La structuration par le gel s'accompagne du tassement du mat6riel par la pression exerc6e par le gonflement des lentilles de glace lors des engels: elle a permis la conservation des microstructures cryog6niques et entraine une augmentation relative de la densit+ apparente et une diminution de la porosit6 totale (fig.2, a et b) dans les niveaux consid6r6s. En outre, elle a pour cons6quence une nette diminution de la conductivit6 hydraulique fi saturation, les valeurs les plus faibles 6tant celles du niveau d'ar6nes lit6es (type IIa), alors que la conductivit6 augmente fortement dans les ar~nes non structur~es sous-jacentes (fig.2c). Dans le sol actuel, la structure p6dologique est responsable des valeurs 61ev~es de la conductivit6 hydraulique saturation. La superposition des d6p6ts de ver-
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ANALYSE DISCRIMINANTE DES DONNEES
Afin d'6tablir leur port6e g6n6rale, les donn6es ont &6 trait6es par une analyse discriminante (AD) norm6e par la variance. Dans ce type de traitement, on affecte les 6chantillons ~ des groupes pr6&ablis (les 8 groupes de la typologie g6n&ique pr6alablement d+finis). Un accord de 82% a 6t6 obtenu entre la partition faite par l'algorithme et la typologie d6coulant des descriptions de terrain et de lames minces. Plusieurs analyses ont &6 effectu~es afin d'optimiser la fonction d'affectation des individus. Les variables utilis6es sont la profondeur de l'6chantillon PROF, la conductivit6 hydraulique ~. saturation KS, la densit6 apparente DA, la teneur en eau r6siduelle Or TRES, les param~tres ~Po PSIO et ~ ALFA. Pour faire ressortir l'information 61ementaire, on a suprim6 successivement la profondeur, qui pr6sentait un faible pouvoir discriminant 1i6 fi l'6volution g6omorphologique complexe des versants, et la porosit6, fortement correl6e fi la densit+ apparente (~ = -0.92), pour 61iminer l'information redon-
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Fig. 3: DiffErenciation des caract~ristiques hydrodynamiques entre les bandes de matkriel.fin et les intervalles sableux dans le niveau d'arEnes lit~es (respectivement 110 et 120 cm de profondeur). Fig. 3: Water retention curves of the fine material bands and the sandy intervals, in displacer regoliths (respectively 110 and 120 cm depth).
dante. On obtient ainsi une proportion de bien class+s de 82.4%. La fonction d'affectation montre que 45/52 individus sont classes dans leur groupe d'origine, i.e. se trouvent sur la diagonale du tableau crois6. Parmi les 7 individus mal class6s, 3 individus suppl6mentaires sont rattach6s ~ des niveaux imm~diatement sus ou sous-jacents. La contribution l'inertie du premier axe discriminant est de 50.9%. I1 est fortement corr61~ avec la densit6 apparente, moins fortement & la teneur en eau r6siduelle, et oppose les niveaux de surface (sol actuel et formation g61iflu6e) aux niveaux cryog6niques et en particulier aux bandes r6duites (BR), de densit~ tr6s 61ev6e. La seconde composante discriminante, qui explique 28.2% de la variance, est fortement li6e avec les param6tres ~p0 et ~. La forme
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des courbes de r6tention hydrique constirue donc un facteur de s6gr~gation entre les groupes. Cet axe oppose les niveaux granulom6trie fine (bandes r6duites et structure lamellaire sur alt6rites fines des grauwackes) aux niveaux fi texture plus grossi6re caract6ris6s par une forme sigmo'/de tr+s accus+e des courbes 0(pF). Enfin, la troisi+me composante discriminante (contribution ~ l'inertie 18.3%), uniquement corr~l~e avec la conductivit8 hydraulique fi saturation, souligne le r61e de cette derni~re w~riable dans la discrimination des groupes. La qualit6 de la discrimination des groupes ~t partir des variables physiques et hydrodynamiques du milieu met en 6vidence l'influence des microstructures h~rit6es sur le comportement hydrique des formations superficielles et 6tablit sa
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port~e gbn6rale.
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catchment, Vosges (France). Z. f. Geomorph. (Suppl. Bd.), (a paraltre).
CONCLUSION
Dans cette 6tude, nous avons tent6 une liaison entre deux approches compl6mentaires en g~omorphologie: d'une part la mise en 6vidence de niveaux d'origine cryog+nique dans les formations superficielles et, d'autre part, la caract6risation hydrodynamique de ceux-ci. On a ainsi pu 6tablir la correspondance entre le type g6n+tique du mat+riel et ses propri6t~s hydrodynamiques. La qualit6 de la partition effectu6e par l'analyse discriminante /t partir des seuls critbres g6n&iques souligne l'importance des m~canismes li~s au gel dans l'acquisition des propri~t6s hydrodynamiques actuelles. Cet apport m6thodologique doit contribuer ~i terme /tune mod61isation rbaliste des transferts hydriques int6grant la variabilit6 spatiale des propri6t6s hydrodynamiques et leur diff6renciation verticale.
REMERCIEMENTS Nous tenons ~ remercier I'U.E.R. de G6ologie de Strasbourg off ont Ot6 r6alis6es les lames minces et le Laboratoire de SOdimentologie du Centre de GOographie AppliquOe de Strasbourg off ont 6t6 effectuOes les analyses granulom&riques. Cette 6tude a 6t6 r6alisOe dans le cadre du programme PIREN- Eau/Alsace (Centre National de la Recherche Scientifique, Minist6re de l'Environnement, ROgion Alsace).
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