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1 IRD, BP 1857, Yaoundé, Cameroun.
2 LMTG, UMR 5563, 38 rue des 36 Ponts, 31400 Toulouse.
3 Université de Yaoundé, BP 812, Yaoundé, Cameroun.
4 IRGM-CRH, BP 4110, Yaoundé, Cameroun.
5 IRD LFS, Centre Ile de France, 32 Avenue H. Varagnat, 93143 Bondy cedex.
6 CPB CNRS, 17, rue Notre Dame des Pauvres, BP 5, 54501 Vandoeuvre-lès-Nancy.
Abstract
Cet article propose une synthèse des travaux réalisés au cours des six années d’étude du petit bassin versant expérimental (PBVE) de Nsimi considéré comme observatoire naturel de l’écosystème tropical humide du Sud-Cameroun. Lorsque nous avons installé ce PBVE, il n’existait, à notre connaissance, aucun site proche de l’équateur étudié en termes de flux hydrobiogéochimiques entrées/sorties sur roches alumino-silicatées en zone cratonique stable. De plus, ce site est le premier au monde où a été entreprise une approche combinée en hydrologie, (bio)géochimie, minéralogie, cristallographie, microbiologie, géophysique et pédologie. Les actions de recherche sont basées sur (1) des suivis hydrobiogéochimiques réguliers dans les différents réservoirs aquifères à l’échelle de l’hydrosystème PBVE (dépôts atmosphériques, nappes phréatiques et ruisseau) et (2) des études plus ponctuelles concernant, soit l’organisation et la constitution des différents réservoirs des formations superficielles (roche-mère, saprolite, sols) soit divers processus intervenant dans les cycles hydrologique, biologique et géochimique. Ces actions visaient à (1) rechercher les paramètres prépondérants qui contrôlent l’érosion chimique et mécanique de l’écosystème tropical humide, (2) comprendre l’acquisition d’une composition chimique donnée par les eaux de nappes et de rivières, (3) connaître précisément les différentes formes de transfert des éléments chimiques dans les eaux et les sols, (4) mettre en évidence la relation possible entre la biodégradation des matières organiques du sol (MOS) et la solubilisation d’éléments minéraux (en particulier le fer) et (5) comparer les bilans de l’érosion actuelle et passée. Un autre aspect important de cette étude est d’apporter une nouvelle base de données aux scientifiques et ingénieurs pour le développement futur du Sud Cameroun qui est encore, de nos jours, une région relativement préservée des actions anthropiques.
Le résultat majeur est la mise en évidence du rôle moteur essentiel joué par le cycle biologique (végétation, matière organique des sols (MOS)) dans les processus de transfert et/ou de stockage des éléments dans les régions tropicales humides. Il a été en outre possible, grâce aux données acquises (1) en minéralogie sur le substratum rocheux et les formations superficielles, (2) en géochimie sur les phases soluble et colloïdale des eaux et (3) en hydrologie sur les différents réservoirs de l’hydrosystème, de proposer un modèle de l’érosion actuelle pour ce PBVE. Ce modèle a été confirmé et étendu à l’échelle régionale du bassin fluvial du Nyong. Il rend plus particulièrement compte du comportement des principaux éléments constitutifs des formations superficielles tropicales (Fe, Si, Al), des nutriments (carbone, cations de base majeurs ou en trace Ca, Mg, K, Sr) et de traceurs spécifiques des processus d’altération/érosion, soit à forte mobilité hydrolitique (Cl et Na) soit, au contraire, à mobilité extrêmement limitée (Zr, Th, terres rares).
A l’échelle du PBVE, il existe un fort contraste géochimique entre les différentes zones de la nappe phréatique baignant (1) les profils latéritiques des collines, (2) le front d’altération (interface entre saprolite et roche-mère) et (3) le bas-fond marécageux dans lequel s’écoule le ruisseau Mengong évacuant les eaux du PBVE. Des expériences d’ultrafiltration (jusqu’à 1 KD) ont permis d’appréhender le comportement des éléments dans les différentes fractions particulaire, colloïdale et dissoute des différents réservoirs.
Dans les eaux de nappes de versant baignant les profils latéritiques les concentrations de silice et d’aluminium sont en équilibre avec le quartz et la kaolinite alors que le fer est en équilibre avec un hydroxyde de fer amorphe. Le thorium, le zirconium et les terres rares sont principalement contrôlés par les phases solides colloïdales minérales.
Au front d’altération, les concentrations en silice sont quatre fois plus élevées que dans les parties supérieures des nappes de versant et ne correspondent plus à des concentrations en équilibre avec le quartz et la kaolinite. Toutefois, les concentrations en aluminium sont très faibles et peuvent être considérées comme étant en équilibre avec la kaolinite. Les fortes concentrations en silice et en cations de base (Ca, Na, K) sont expliquées par la dissolution des plagioclases et des feldspaths primaires.
Les eaux de nappes de bas-fond sont caractérisées par des quantités importantes de carbone organique dissous (COD ; 15 mg/L) mais aussi de fortes concentrations en Fe, Al, Th et Zr. L’origine des éléments a pu être déterminée en échantillonnant en continu une crue. Il se dégage de l’analyse de celle-ci que Na et Si ont essentiellement une origine profonde (exfiltration de nappe), que Al, Th, Zr et les terres rares sont fortement liés à la matière organique colloïdale localisée dans les horizons supérieurs du bas-fond. Le fer a un comportement plus complexe lié au changement possible de son degré d’oxydation qui peut être indépendant de la complexation par la matière organique. Pour les cations majeurs, l’origine est un peu plus complexe à déterminer et l’augmentation des concentrations peut être due à des processus de déstockage par le couvert végétal. Le potassium est l’élément type de la mobilisation par le cycle biologique. Lors de la crue, le Cl a le même comportement: c’est l’un des résultats les plus novateur s de cette étude. Toutefois à l’échelle du cycle hydrologique annuel, le bilan du Cl est bouclé.
Ces caractéristiques peuvent être interprétées par l’altération dans les bas fond des minéraux présents dans les saprolite (kaolinite, g
thite, zircon, oxyde de thorium). Cette altération a pour conséquence de libérer, outre Al et Fe, des cations. Il a été montré que les populations microbiennes des bas-fonds marécageux peuvent jouer un rôle non négligeable surtout en ce qui concerne la mobilisation des métaux de transition (exemple de Fe). L’un des résultats fondamentaux de cette étude est la confirmation du rôle joué par les acides humiques dans le transport des éléments réputés à mobilité hydrolitique extrêmement faible (par exemple Al, Th, Zr, Fe) et l’importance de ces mêmes acides dans les bilans d’altération.
Si l’on compare les concentrations des cations majeurs (Ca, Mg, Na, K) à celles d’autres rivières de la planète, force est de constater que les eaux du PBVE de Nsimi et du bassin fluvial du Nyong sont parmi les moins chargées du monde. Ceci sousentend que, même si la matière organique joue un rôle prépondérant dans la mobilisation et le transfert de certains éléments dans les zones marécageuses, cela n’a pas un effet majeur en termes de flux de cations produits à l’échelle du bassin. La raison invoquée pour expliquer cela est directement liée à l’histoire pédologique et à la géomorphologie du PBVE. La présence d’une formation superficielle épaisse constituée de saprolite, de latosols sur les collines et de sols hydromorphes dans les bas-fonds dont la composition minéralogique est monotone isole la roche-mère des agents d’érosion chimique (matière organique, eaux météoriques), limite les circulations des fluides et par conséquent protège la roche mère de l’érosion chimique et limite le flux de cations majeurs. En outre, ces couvertures de sols sont par ailleurs stabilisées par le couvert végétal qui limite l’érosion. Ce rôle protecteur des sols vis-à-vis de l’érosion chimique, déjà mis en évidence à plus petite échelle par Stallard [1983] est ici clairement montré tant à l’échelle du PBVE de Nsimi que du bassin fluvial du Nyong. Ceci est à prendre en compte dans les calculs de bilan du cycle du carbone pour les surfaces considérables que les écosystèmes forestiers tropicaux sur craton stable représentent à l’échelle du globe. Par ailleurs, les comparaisons entre érosion chimique court et long terme permettent de supposer que les conditions paléo-climatiques n’ont que peu changée depuis au moins le Miocène (20 Ma) dans cette partie du monde.
Key Words: Région tropicale humide • Bassin versant expérimental • Bilan de masse • Biogéochimie • Fonctionnement hydrodynamique • Altération chimique et physique • Latérite
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