Les Argiles

Les Argiles
Titre: Les Argiles . Ajouté Par : coursgeologie . Le: 02 Jun 2011 12:55.
1. GENERALITES ET TERMINOLOGIE
1.1. Définition
Roches composées principalement de silicates en feuillets (Phyllosilicates) d’ Al, plus ou
moins hydratés.
Les plus abondants des roches sédimentaires: 50% des sédiments (69 % des sédiments
continentaux). Constituants principaux des sols.
Formées de particules fines, de l'ordre du µm; techniques d'étude et de caractérisation
délicates (RXD, MEB, ATD)
1.2. Propriétés et utilisation
absorption d’eau
plasticité: déformation souple sous l'effet des contraintes, rôle de couche savon pour
glissements des matériaux à toute échelle (glissement de terrain, nappe tectonique)
compaction importante: expulsion d'une grande quantité d'eau. Les pores diminuent, la roche
devient imperméable
pouvoir adsorbant
dispersion dans l'eau et floculation: les particules fines restent en suspension dans l'eau agitée;
elles décantent dans l'eau immobile avec une vitesse de chûte trés faible (Loi de Stockes).
En eau salée, elles s'agglomèrent (floculation) et précipitent plus rapidement.
Loi de Stockes:
v = C d2
v: vitesse de chûte
d: diamètre de la particule
C: constante de Stockes dépendant de la différence de densité entre particule et liquide,
de la viscosité du liquide et de l'accélération de la pesanteur
diamètre (m)
temps pour parcourir
1 m (à 20°C)
vitesse de chûte (cm/s)
60
( minutes
0,3
16
1 heure 12
0,02
4
19 heures
.
2
3 jours 5 heures
.
1
13 jours
.
0,1
1293 jours
.
Tableau I: application de la Loi de Stockes à des particules sphériques.
Intérêt économique:
* ciment (avec calcaire)
* céramiques: poteries, briques, tuiles
* pharmacie, cosmétique: excipient neutre, absorbant.
* pigments: ocres (argiles + oxydes de fer)
1.3. Terminologie
* Lutites: Sédiments fins (grains < 64 µm):
- limons de 1/16 mm à 1/256 mm, soit de 64 à 4 µm; surtout quartz
- argiles: > 1/256 mm
* siltites: limon (silt) induré (grés à grains trés fins)
* argilites: argiles compactées
* shales: argiles compactées fissiles
2. COMPOSITION MINERALOGIQUE
2.1 Principaux composants
- Minéraux argileux (phyllosilicates) dominants
- Quartz: microquartz d'origine éolienne; jusquà 30% de la roche
- calcédoine, opale: forme mal cristallisée et hydratées de la silice; origine organique
(plantes, plancton)
- oxydes et hydroxydes de fer: hématite, goethite
- sulfure de fer (pyrite) en milieu réducteur
- gibbsite (oxyde d'aluminium) sous climat chaud et humide)
- carbonates (calcite, dolomite)
- matière organique:
éléments figurés: pollens, spores, débris ligneux
matière amorphe (décomposition par bactéries)
La quantité de matière organique intervient est associé au degré d'oxydation du fer,
donc la couleur:
M.O. abondante, milieu réducteur, fer réduit (ferreux), couleur noir, gris,
vert.
M.O. absente: fer oxydé rouge.
Les argiles trés riches en M.O. évoluée en profondeur (kérogène) forment les roches
mères d'hydrocarbures.
2.2. Méthodes d'études
On sépare la fraction < 2 µm des particules plus grosses par décantation (loi de Stokes).
On caractérise les minéraux argileux par diffractométrie aux RX.
Tout corps cristallisé peut être analysé par diffraction de RX, car ses atomes sont
arrangés selon des plans cristallins spécifiques. Un faisceau de RX est diffracté sur
un plan cristallin selon la loi de Bragg :
 = longueur d'onde de la source
d = espacement entre 2 plans parallèles successifs du réseau cristallin
= angle entre le faisceau incident et le réseau de plans
Sur un diffractogramme, les pics correspondent aux différents rayons diffractés en fonction
de l'incidence du faisceau de RX. L'identification du minéral est donnée par la position d'un
certain nombre de pics caractéristiques qui permettent de calculer la distance entre les plans de
diffraction. La forme du pic renseigne sur l'état de cristallisation du minéral
(cristallinité). Pour un mélange de plusieurs minéraux, la hauteur des pics est
grossièrement proportionnelle à leur quantité.
Pour des minéraux ayant des distances interfoliaires proches, on fait subir des traitements aux
échantillons afin de les différencier. Un traitement classique consiste à imprégner
l'échantillon de vapeurs d'éthylène-glycol. Cette molécule organique est adsorbée
dans les espaces interfoliaires des smectites qui gonflent. D'autre part, le chauffage à 550 °C
entraine la disparition de la kaolinite.
2.3. Les minéraux argileux
Ce sont des phyllosilicates d'aluminium dont les feuillets sont constitués de couches
d'octaédres Al(OH)6 et de couches de tétraédres SiO4 reliées par les atomes O et OH
mis en commun. La distance inter-réticulaire d sépare 2 feuillets successifs. Les
substitutions d'atomes sont fréquentes dans les feuillets. L' édifice cristallin peut être
désorganisé (la cristallinité est moins bonne). D'autre part, il y a des déséquilibres
au niveau des charges; ce déséquilibre est compensé par adsorption de cations dans
l'espace interfoliaire (capacité d'échange des argiles).
Daprès la structure du feuillet, on distingue principalement les argiles 1/1 (1 couche
tétraédrique+1 couche octaédrique) et les argiles 2/1 (2 tétra. pour 1 octaédrique).
Figure 1: structure des minéraux argileux.
a) la Kaolinite ( 1/1, d=7A°).
Pas de substitution dans les couches. Le feuillet est neutre. La kaolinite se forme dans les sols
bien drainés, par pH acide, surtout en climat subtropical et tropical. Ses cristaux sont souvent
grand (jusqu'à 15 µm).
b) les Illites (2/1, d=10A°)
Association d'une CO (alumineuse) et deux CT (siliceuses). Mais il peut y avoir des
substitutions (remplacement de Si par Al). Des cations (K+) sont adsorbés dans l'espace
interfoliaire afin de compenser le déséquilibre des charges. C'est le minéral ubiquiste par
excellence. Sa structure est proche de la muscovite (plus d'eau, moins de K+).
c) les Smectites (2/1, d= 14 A°).
L'empilement des feuillets est désordonné; chaque feuillet est tourné dans son plan par
rapport au précédent. Les substitution d'atomes sont importantes. Ce désordre et la faible
charge des feuillets facilitent leur écartement et l'adsorption des molécules variées (eau,
cations, molécules organiques) au niveau de l'espace interfoliaire qui s'écarte (d = 18 A°).
Les smectites, ou montmorillonites, sont généralement calciques, plus rarement sodiques.
Elles sont formées dans les sols mal drainés plutôt alcalins. Les feuillets de smectites
peuvent s'intercalés régulièrement ou irrégulièrement avec d'autres feuillets argileux,
souvent illitiques. L'ensemble forme des interstratifiés.
d) la Glauconie
minéral vert ferrifère proche de l'illite exclusivement formé en milieu marin peu profond.
e) les Chlorites (2/1, d= 14 A°).
L'espace interfoliaire est garni par une couche composée de Mg et OH. L'Al est remplacé
localement par le Fe. Les chlorites existent en plus grands cristaux dans les roches magmatiques;
elles sont également formées pendant la diagénèse des roches sédimentaires. On les
retrouvent en éléments détritiques dans les sols sous climat peu agressif.
Figure 2: cristaux de chlorite et de kaolinite vus au microscope électronique à balayage.
f) la Vermiculite (2/1, d= 12 A°)
Fréquente dans les sols de la zone tempérée.La couche octaédrique contient du Fe et
du Mg. La vermiculite est proche des illites et chlorite mais montre des propriétés
gonflantes.
g) Les argiles fibreuses
Les feuillets sont discontinus et forment des rubans. Les principaux types sont la sépiolite et
l'attapulgite ou paligorskite. On les trouve dans les milieux confinés.
3. ORIGINE DES ARGILES
3.1 Héritage et altération
Les minéraux argileux résultant de la destruction des roches, peuvent soit rester sur place
(argiles résiduelles, ex: argiles à silex, argiles de décalcification) soit être transportées
sur de longues distances (ex: argiles des fonds océaniques).
En fonction des roches mères et du climat, les minéraux argileux résultant sont
différents. En climat froid : l'altération est faible, les minéraux sont argileux sont
identiques ou peu différents des minéraux de la roche (illite et chlorite), ils sont hérités
de la roche d’origine. En climat chaud et humide, l'hydrolyse est poussée, la kaolinite se
forme en milieu drainé, les smectites en milieu confiné. En climat tempéré, humide,
l'altération est modérée, il apparaît des interstratifiés, des illites et chlorites
dégradées, de la vermiculite.
3.2 Néoformations en milieux confinés
Les argiles fibreuses se forment dans des croûtes calcaires, dans des zones à climat à saison
sèche marquée, dans des milieux évaporitiques sursalés:
* néoformation de sépiolite par concentration des ions par évaporation (bassin lacustre
actuel de Sommières, de Ghassoul au Maroc).
Certains minéraux argileux se forment en dehors des sols à partir des ions en solution.
* néoformation de glauconie (illite ferrifère) dans les vases littorales.
* néoformation des "argiles rouges des grands fonds" (smectites ferrifères provenant des
vases calcaires et siliceuses et des cendres volcaniques).
3.3 Transformations des minéraux argileux
Les minéraux néoformés ou hérités peuvent évoluer pour prendre un nouveau
statut en équilibre avec le nouveau milieu. On distingue les transformations par dégradation
(soustraction d'ions) et par agradation (par fixation d'ions supplémentaires). Ces
transformations ont lieu aussi bien au cours de l'altération que de la diagénèse.
Ex.: Kaolinite -----> Chlorite
Smectites ------> Illite
4. LES ARGILES DU SOL
4.1 Nature des minéraux argileux.
Selon le climat, l'origine des minéraux est variable:
* héritage: à partir de la roche-mère
* transformation: à partir d'autres minéraux argileux
* néoformation: formés à partir des ions transportés par l'eau du sol.
La nature de la roche-mère joue un rôle:
* l'altération d'une roche acide, comme le granite, donne plutôt de la kaolinite
* l'altération d'une roche basique, comme le basalte, donne plutôt des
smectites.
Figure 3: Types de phyllosilicates formés au cours de l'altération.
La topographie, qui commande le drainage, intervient également:
* sur une pente, où le drainage et le lessivage sont bons, la formation de
kaolinite et favorisée.
* dans une cuvette, milieu confiné où se concentrent les solutions, se forment
plutôt des smectites.
CLIMAT
VEGETATION et
SOL
ORIGINE des
ARGILES
MINERAUX
FREQUENTS
Glaciaire
toundra
héritage
illite
chlorite
Boréal
Tempéré
Taiga et Forêt
Podzol, Sols Bruns
transformation
héritage
vermiculite,
interstratifiés,
illite, chlorite,
smectites
Méditerranéen
Subtropical
Steppes, savane
FerSiAlitique
transformation
néoformation
héritage
smectites
Désertique
néant
héritage
illite,
chlorite
Equatorial
Forêt
Ferralitique
néoformation
gibbsite,
kaolinite
Tableau II: occurence des minéraux argileux dans le sol en fonction du climat.
4.2 Propriétés et rôle des minéraux argileux
Les propriétés bien particulières des minéraux argileux sont dûes à la petite taille, la
structure en feuillets et la charge négative des particules. Elles forment avec l'eau des solutions
colloïdales qui floculent lorsque les charges de surface des particules sont neutralisées par
des ions. Ce phénomène est réversible: les particules retrouvent l'état dispersé
lorsque les ions sont éliminés par rinçage. Les argiles fixent l'eau par adsorption à leur
surface et augmentent de volume par gonflement. Elles constituent ainsi une réserve d'eau.
L'argile sèche développe une tension de succion importante pour l'eau qui peut s'opposer
à celle des racines des plantes.Avec adjonction croissante d'eau, la tension de succion diminue,
l'ensemble eau-argile devient plastique, puis visqueux et finalement les particules d'argile se
dispersent dans l'eau en formant une solution colloïdale. L'argile imprégnée d'eau qui se
déssèche se rétacte et se casse par des fentes de retrait.
Les argiles confèrent au sol sa structure et ses propriétés mécaniques. Elles sont
associées au autres composants et constituent les complexes argilo-humiques (ou organominéral); leur teneur peut atteindre 50%. Elles sont généralement à l'état floculé ,
généralement par l'action des ions Ca++ et H+, ce qui donne au sol ses qualités
agronomiques: bonne aération entre les agrégats, retrait modéré à la dessication,
bonne perméabilité à l'air et l'eau. En revanche, les sols dont les argiles sont dispersées,
et non floculées, présentent des caractères défavorables à la culture: mauvais état
structural, mauvaise circulation de l'air et de l'eau, retrait important à la dessication, forte
adhérence aux outils travaillant le sol. Les mêmes inconvénients se retrouvent dans les
sols saturés par l'ion sodium, comme dans les polders; leur mise en culture exige au prélable
un lessivage du sol par les eaux douces, de façon à éliminer le Na+qui est remplacé par
l'ion Ca++ fourni sous forme de sulfate (gypse).
Minéral
Surface interne
(m2/g)
Surface externe
(m2/g)
Surface totale
(m2/g)
C.E.C.
(milliéquivalent/100g)
kaolinite
0
10-30
10-30
5-15
illite
20-55
80-120
100-175
10-40
smectites
600-700
80
700-800
80-150
vermiculite
700
40-70
760
100-150
chlorite
-
100-175
100-175
10-40
Tableau III: surface spécifique et C.E.C. de quelques minéraux argileux (d'après MOREL).
REFERENCES
MOREL R. (1996) - Les sols cultivés. Lavoisier, Paris.
TUCKER M.E. (1981) - Sedimentary petrology. An introduction. Blackwell.
http://www.u-picardie.fr/beauchamp/mst/argiles.htm
Une copie de la leçon du site Les Argiles
http://coursgeologie.com/