Dans le domaine de la géologie, de la géotechnie et de l'exploitation des ressources minières, la notion de « sous-sol » désigne au sens large l'ensemble des couches de l'écorce terrestre situées sous la couche superficielle constituée du sol pédologique ou de substrats ou objets artificiels créés par l'homme. Par analogie, on parle également de sous-sol pour les couches peu profondes des planètes telluriques et autres corps célestes constitués de roches.

Histoire

L'exploration et l'exploitation du sous-sol date de la Préhistoire (puits et galeries d'exploitation du silex par exemple).

Elle s'est développée et avec la métallurgie (âge du bronze puis durant le développement des royaumes et empires grecs, romain, chinois, africains avec la recherche de gemmes précieuses. Durant ces époques, les sociétés dominantes cherchent, trouvent et exploitent de nouveaux gisements (via des invasions souvent). Au Moyen Âge, puis de la Renaissance au l'activité minière et le creusement de puits exploitant la nappe phréatique continuent à se développer mais rarement à plus de quelques mètres ou dizaines de mètres de profondeur.

Dans sa partie superficielle, le sous-sol a aussi été traditionnellement utilisé pour ensevelir les morts dans des tombes ou des puits funéraires (dont en GaulePoux, M. (1999), Puits funéraire d'époque gauloise à Paris (Sénat) : Une tombe d'auxiliaire républicain dans les sous-sol de Lutèce (Vol. 4), Monique Mergoil). On y a aussi construit des silos (pour les graines), les réservoirs d'eau, et de nombreux puits ont servi de dépotoirs, exploités par les archéologues.

À partir du et surtout au , le sous-sol a été largement utilisé pour enfouir un grand nombre de déchets, ménagers, communaux, agricoles, industriels, etc. (décharges), avec en France plusieurs dizaines de milliers de décharges municipales en fonction sans contrôle des risques jusque dans les années 1950-1970.

En matière d'exploitation des ressources du sous-sol, c'est dans l'« Anthropocène » et avec la révolution industrielle qu'une nouvelle et véritable économie du sous-sol se développe, presque toujours au profit des pays riches dans les pays dits « sous-développés »Blondel, F. (1961). L'Économie du sous-sol: dans les pays sous-développés. Presses universitaires de France. s'est développée, basée sur une exploitation peu à peu généralisée du sous-sol, se déportant même vers les fonds marins avec l'invention du forage offshore et les applications du forage horizontal, faisant fortement croître l'empreinte humaine, et la déplaçant de la surface du sol et des mers aux premiers kilomètres de la croute terrestre, avec aujourd'hui des forages profonds jusqu'à des couches exposées à de hautes pressions où la température avoisine 200 voire . Les villes, via l'« urbanisme souterrain »Barles, S., & Guillerme, A. (1995). L'urbanisme souterrain (résumé)., l'enfoncement de pieux et la construction de réseaux complexes de tunnels, d'égouts, gaines électriques et conduites de gaz, etc. s'enfoncent aussi de plus en plus profondément dans le sous-sol avec lequel elles peuvent interagir (fuites de gaz et d'eau notamment, rabattement et contamination de nappes, production de déblais issus du sous-sol et remblai par des déchets issus de la surface…).

La généralisation récente aux États-Unis de la fracturation hydraulique et de diverses méthodes de stimulation de gisements d'eau ou d'hydrocarbures (liquides, gazeux ou sous forme de condensats de gaz naturel) ; par surpression ou mise en dépression ou avec l'aide de désorbants chimiques, a encore augmenté les capacités techniques et volumétriques d'exploitation du sous-sol, avec des impacts environnementaux et sanitaires et des risques de séismes induits qui peuvent également augmenter en conséquence.

Ces capacités ont durant deux siècles dopé une « croissance intensive » de l'industrie, de l'agriculture et des villes, mais se traduisent également négativement par la surexploitation de nombreuses ressources du sous-sol, une empreinte écologique aggravée et une contribution accrue aux émissions de gaz à effet de serre et au dérèglement climatique. Les ressources les moins profondes et les plus faciles à exploiter ont souvent déjà été consommées. Les exploitations offshore ou profondes (sous haute pression, haute température) sont plus dangereuses et beaucoup plus coûteuses. La raréfaction ou pénurie de certaines ressources font rechercher de nouveaux modèles de développement (par exemple plus basés sur les ressources propres, sûres et renouvelables, plutôt que sur des ressources fissiles ou fossiles, dans le cadre d'un développement dit soutenable ou pour J Rifkin d'une troisième révolution industrielle).

La vie dans le sous-sol Hormis dans les zones très froides (congélation permanente comme dans les pergélisols profonds) ou très chaudes, le sol est riche en organismes vivants qui l'utilisent comme habitats et qui contribuent à le produire à partir du substrat minéral et en biodégradant et recyclant la matière organique. Cette partie de la biosphère et de la biodiversité, surtout composée de micro-organismes est toutefois encore mal connue, y compris dans les nappes souterraines Deharveng L., Stoch F., Gibert J., Bedos A., Galassi D., Zagmajster M., Brancelj A., Camacho A., Fiers F., Martin P., Giani N., Magniez G. & Marmonier P. (2009), Groundwater Biodiversity in Europe, Freshwater Biology , 54, 709-726.

Le sous-sol était autrefois réputé « abiotique » (sans vie). Mais en réalité des communautés microbiennes aérobies et hétérotrophes y vivent (dans les sables et grès par exemple, surtout à proximité des sources de matières organiques Krumholz, L. R. (2000). Microbial communities in the deep subsurface. Hydrogeology Journal, 8(1), 4-10 (extrait/résumé, 2 pages)) ainsi que des communautés anaérobies et plus extrêmophiles, chimiotrophes et/ou lithotrophes parfois s'y développent en communautés très diversifiées, probablement depuis des milliards d'années, associant aujourd'hui de très nombreuses espèces de bactéries. Plus près de la surface et parfois en profondeur, on trouve des espèces plus évoluées (divers nématodes et acariensFain A. (1982). Cinq especes du genre Schwiebea Oudemans 1916 (Acari, Astigmata) dont trois nouvelles découvertes dans des sources du sous-sol de la ville de Vienne (Autriche) au cours des travaux du métro. Acarologia.) ou d'autres micro-organismes, plus ou moins associées aux caractéristiques géologique de la couche prospectéeLevet-Carette, J. (1963). Étude de la microflore infraliassique d'un sondage effectue dans le sous-sol de Boulogne-sur-Mer (Pas-de-Calais). Annales de la Société Géologique du Nord (Lille), 83, 101-128.Levet-Carette, J. (1964). Étude de la microflore bajocienne d’un sondage effectué dans le sous-sol de Boulogne-sur-Mer (P.-de C.). Ann. Soc. Géol. Nord, 84, 91-121.. À grande profondeur, au-dessus de , c'est la température qui semble être le principal facteur limitant de la Vie.

Des communautés souterraines se développent aussi en profitant des cavités naturelles ou créées par l'Homme (galeries de mines, puits, réservoirs souterrains, décharges souterraines…, et au gré de la circulation de l'eau et de l'ouverture ou du colmatage des failles ou de la macroporosité naturelle de certains substrats.

Des espèces dites extrêmophiles nouvelles y sont régulièrement découvertes ; dont des espèces acidophiles (vivant dans des environnements acides (pH optimum de croissance proche de 3) ou au contraire alcalophiles (vivant dans des environnements basiques ; pH optimum de croissance proche de 9 et plus), ou encore des espèces halophiles (colonisant des milieux salés).

En profondeur, ces espèces sont souvent aussi métallophytes (ou simplement très tolérantes au métaux, ce qui leur permet de survivre à des taux de cuivre, cadmium, arsenic, mercure ou zinc par exemple qui tueraient la plupart des organismes vivant en surface), barophiles (supportant des hautes-pressions), radiorésistantes, (le sol profond est souvent naturellement plus radioactif qu'en surface), thermophile (supportant de hautes températures, par exemple avec des optimums de croissance dépassant ) ou hyperthermophiles (90 à plus de ), xérophiles (résistantes à la dessiccation quand l'eau vient à manquer). Ces espèces encore méconnues pourraient composer une part importante de la diversité génétique du Vivant. Certaines espèces jouent un rôle dans l'épuration naturelle de l'eau durant son parcours dans le sous-sol vers les nappes.

Les racines des arbres peuvent explorer et « décolmater » la partie supérieure du sous-sol et/ou le coloniser jusqu'à plusieurs dizaines de mètres de profondeur, notamment le long de réseaux de failles ou faillettes dans lesquelles un feutre racinaire dense peut se développer. Elles facilitent la pénétration et circulation de microorganismes et des mycéliums de champignons. L'agriculture et la sylviculture utilisent des sous-soleuses pour favoriser l'enracinement profond et/ou casser la semelle de labour.

La limite sol/sous-sol Il existe une interface sol/sous-sol très complexe, qui est un « écotone » encore assez mal connu, hormis des pédologues (qui y voient le dernier « horizon pédologique » du sol, généralement marqué par une différence de couleur et de texture) et plutôt en termes physico-chimiques qu'écologiques ou biologiques. Des cartographies de la diversité bactérienne du sol apparaissent et les avancées techniques du métabarcoding pourraient permettre de bientôt mieux connaître les éventuelles spécificités génétiques des bactéries vivant dans cet horizon inférieur du sol et dans les parties les plus « superficielles » du sous-sol. Les champignons mycorhiziens y jouent notamment un rôle important de liaison des arbres au sol ou des arbres entre euxCallot, G., Jaillard, B., Braye, J. P., & Jalade, M. (1996), Incidence des caractéristiques structurales du sous-sol sur l'entrée en production de Tuber melanosporum et d'autres champignons mycorhiziens, Agronomie, 16(7), 405-419.

Sous-sol et terroir Les « terroirs » agricoles, qui donneraient leurs goûts spécifiques à certains vins, laits, fromage, etc. doivent certaines de leurs caractéristiques au sous-sol et aux nutriments qu’ils libèrent ou retiennent. Les régions naturelles de France se superposent souvent à des zones géologiques particulières donnant lieu à un système agroalimentaire localisé, éventuellement reconnu par une labellisation dite d’« Indication géographique ».

Ainsi, les racines de la vigne s’enfoncent parfois jusqu’à une trentaine de mètres dans le sous-sol.

La prospection du sous-sol Elle a commencé à la préhistoire avec le creusement de puits dans la craie, afin d'en extraire de gros moignons de silex ensuite taillés pour former des pointes de flèches et de lance, des grattoirs, des lames, etc.

Ensuite alors que la science géologique naissait et se développait, l'exploration des grottes souterraines puis les données issues du creusement des puits et de carottages exploratoire qui ont été les premières sources d'informations, avec l'apparition d'échantillons de références et de lithothèques permettant une analyse visuelle et physicochimique directe d'échantillons de sous-sol (ou des analyses indirectes d'eau ou de gaz remontés du sous-sol).

Des moyens de prospections plus sophistiqués sont apparus au Rothé, E. (1930). Les méthodes de prospection du sous-sol. Gauthier-Villars et Cie. avec notamment : la prospection électrique qui tire des enseignements de la résistivité (dont résistivité apparente) du sous solSchlumberger, C. (1920), Étude sur la prospection électrique du sous-sol, Gauthier-Villars.Marescot, L. (2006), Introduction à l’imagerie électrique du sous-sol, Bull. Vaudois des Sci Nat, 90, 23-40. ;