Thèse soutenue par Alejandro Romero Ruiz, le 26 mars 2021, Institut des sciences de la Terre (ISTE)
Le sol est une ressource naturelle essentielle et le compartiment biologique le plus actif de la biosphère. Les sols sont les supports de l’agriculture et de la sylviculture, et ils abritent des processus hydrologiques qui contrôlent en grande partie la recharge des ressources mondiales en eaux souterraines. La structure ou l’architecture du sol, i.e., la liaison et la disposition des constituants du sol entre eux, est un paramètre important pour les fonctions hydro-écologiques du sol. La structure du sol détermine les propriétés mécaniques et hydrauliques du sol qui sont difficiles à caractériser à grande échelle spatiale.
En général, la caractérisation de la structure du sol est effectuée en laboratoire sur des échantillons de sol à petite échelle ou sur des mesures épisodiques sur le terrain à petite échelle. Cela offre des informations limitées sur les variations spatiales et temporelles de la structure du sol. La motivation de cette thèse repose sur le besoin de techniques de caractérisation qui fournissent des informations sur la structure du sol à de grandes échelles spatiales (par exemple, pour des applications dans l’exploitation et la gestion agricoles) et peuvent guider les stratégies de maintien d’une structure de sol favorable. L’objectif principal est d’évaluer le potentiel de l’utilisation de méthodes géophysiques pour caractériser la structure du sol aux échelles mentionnées. Nous avons identifié les méthodes géophysiques qui présentent le plus grand potentiel pour mesurer les états mécaniques et hydrauliques du sol. Pour cela, nous avons choisi la méthode sismique sensible aux propriétés mécaniques du sol et les méthodes géolectriques sensibles à la teneur en eau du sol et aux caractéristiques du réseau poreux.
Dans nos études, nous intégrons la suivi de données géophysiques sur le terrain et la modélisation physique des données géophysiques mesurées. Cela permet d’interpréter les signaux mesurés en termes de structure du sol. Nos études ont été réalisées sur le site expérimental du Soil Structure Observatory (SSO), situé à proximité de Zürich, en Suisse. Le SSO est un site d’études expérimentales sur le long terme conçu pour étudier l’évolution des propriétés du sol après un événement de compactage qui a eu lieu au printemps 2014. Nous avons suivi les données géophysiques dans les sols non compactés et les sols compactés. Nous avons mesuré la vitesse des ondes de pression dans les sols au printemps et à l’été 2019. Les vitesses mesurées ont été fortement affectées par le compactage du sol et étaient environ 30 % plus élevées pour les sols compactés que pour les sols non compactés.
Notre modèle interprète ces différences comme une augmentation de la zone de contact mécanique entre les agrégats du sol causée par le compactage. De la même manière, nous avons suivi la résistivité électrique du sol au printemps et à l’été 2018. Ces données ont révélé que le compactage du sol produit une diminution de la résistivité électrique du sol (sim15%). Sur la base de notre modélisation, ces différences peuvent être interprétées comme une réduction de la macroporosité du sol et de sa connectivité par l’événement de compactage. Les données sismiques et géolectriques suggèrent que les propriétés du sol ne se sont pas entièrement rétablies du compactage.
De plus, la teneur en eau mesurée sur le terrain a révélé que les sols compactés sont généralement plus secs que les sols non compactés. Notre modélisation suggère que cela est dû à une évaporation plus élevée dans les sols compactés. La recherche rapportée ici est une première étape pour utiliser des méthodes géophysiques pour relever un défi de longue date de la quantification de la structure du sol pour informer les activités agronomiques et aider à calibrer des modèles climatiques qui reposent sur des informations actuellement incomplètes sur les sols.
