Diapositive 1 - SFA Poitiers

Leçon 12
LES ARGILES ... ET
LE MONDE
Leçon 12
QUELLES SONT LES INTERROGATIONS?
Les questions:
- comment se transforment les roches à la surface?
- comment les roches se recyclent-elles?
- jusqu’où trouve-t-on des argiles?
Le plan de la leçon:
- 12.1 un peu d’histoire
- 12.2 la structure cristalline des argiles
- 12.3 sols et roches altérées
- 12.4 sediments et diagenèse
- 12.5 les argiles de haute température
- 12.6 les argiles extraterrestres
10.1 UN PEU D’HISTOIRE
Bernard Palissy (1510-1589)
ON PEUT DIRE QUE TOUT
COMMENCE AVEC LAVOISIER
LE PERE DE LA CHIMIE MODERNE
Un exemple: la découverte de
l ’aluminium
Lavoisier: oxyde d ’un métal
inconnu qu ’il appela le métal
des argiles
Sir Humphrey Davy 1808, lui
donne le nom "Aluminum” et
l’isole en 1809.
LES PREMIERES
COMPOSITIONS
CHIMIQUES DES
ARGILES:
Brongniart successeur d ’Haüy au
Museum d ’Histoire Naturelle
cherchait la composition du
kaolin pour le compte de la
manufacture de Sèvres.
LA NONTRONITE (Berthier, 1827)
L ’ARGILE LA PLUS CELEBRE AU MONDE:
LA MONTMORILLONITE
IL A FALLU ATTENDRE LA DECOUVERTE
DES RAYONS X POUR COMPRENDRE LA
STRUCTURE DE CES CRISTAUX
Wilhelm ROENTGEN
Prix Nobel de Physique 1901
Berta ROENTGEN
et sa main ….
10.2 LA STRUCTURE CRISTALLINE
DES ARGILES
LE SILICIUM: “LEGO” UNIVERSEL
[SiO 4] 4sp 3
hybridation des orbitales
liaisons tétraédriques
-
-
Quelque part,
dans une géante
rouge …
LES TETRAEDRES [SiO4]4- POLYMERISENT
(COUCHE TETRAEDRIQUE - CHARGE NEGATIVE)
-
b = 9,15 + 0,6 Å
ht = dO2- 2/3 = 2,11 Å
C
T
r
G
 ht
B
D
3
A
F
a=b/
l E
Maille de Bravais
surface neutre: oxygènes basaux
-
- -
- -
-
oxygènes apicaux chargés
négativement
NEUTRALITE ELECTRIQUE: COUCHE
OCTAEDRIQUE
Mg3 (OH)6
ou
Al2(OH)6
hoc = 2.45 Å & 2.24 Å pour
octaèdres Mg ou Al
Distorted octahedra
L’ASSEMBLAGE LE PLUS SIMPLE: LES
ARGILES 1:1
oxygène apical
remplaçant un
groupe OH
4.34 Å
Vue face 100 
0.28 nm

STRUCTURE
CRISTALLINE
DE LA
KAOLINITE
Grand espace interfoliaire
liaisons hydrogène faibles
clivage (001) facile

Vue face 11 0
 
(Kogure and Inoue, 2005)
MICROSCOPIE
ELECTRONIQUE A
TRANSMISSION A HAUTE
RESOLUTION
(HRTEM en anglais)
L’ASSEMBLAGE LE PLUS ORDINAIRE:
LES ARGILES 2:1 (smectite)
CEC, hydratation
+
Cations interfoliaires
avec leurs molécules
d ’eau associées
-
Unité 2:1 chargée
négativement
15 Å
L’ASSEMBLAGE LE PLUS ORDINAIRE:
LES ARGILES 2:1 (illite)
Faible CEC, pas d’hydratation
+
10 Å
-
K interfoliaire
Unité 2:1 chargée
négativement
EXEMPLES DE MINERAUX ARGILEUX DE TYPE
2:1
montmorillonite
100 nm
Lath-shape I-S
(Pt-shadowing)
(Inoue and Kitagawa, 1994)
L’ASSEMBLAGE LE PLUS COMPLIQUE: LES
ARGILES 2:1:1
(chlorite)
Pas de CEC,
pas d’hydratation
Cations polymérisés
(couche « brucitique »)
+
14 Å
Unité 2:1 chargée
négativement
-
  
11 0
FEUILLETS IDENTIQUES: LE POLYTYPISME
Composition chimique identique
DICKITE (2 FEUILLETS)
KAOLINITE (1 FEUILLET)
Vue face 100 
[1
  
Vue face 11 0
 
HRTEM image of Dickite
(Kogure and Inoue, 2005)
FEUILLETS DIFFERENTS:
L’INTERSTRATIFICATION
(Beaufort et al., 1997)
Exemple: CORRENSITE
corr.
chlorite
chlorite
24 Å
smectite
UN CRISTAL N’EST PAS INERTE: IL VIBRE
UN CRISTAL NAIT (NUCLEATION) ...
Précipité de talc
dans la carpholite
cliché D.
Schmidt
Jéol 2000fx
CRMC2
Image
incroyable
réalisée à
Marseille …
si!
IL GRANDIT (CROISSANCE CRISTALLINE)...
Croissance en
spirale à partir
d’une dislocation
vis émergeant sur
la face (001) du
cristal de kaolinite.
0.5 µm
La petite marche
fait 0.7 nm.
(Samotoin et al., 1980)
… SOUFFRE DE BLESSURES ...
Le réseau cristallin
peut être
endommagé par de
nombreuses
aggressions
chimiques ou
physiques.
L’exemple choisi ici
est le dégât
d’irradiation causé
par une particule .
… ET MEURT!
Kaolinite transformée en illite
Bassin d’Athabasca (Canada)
illite
Restes d’un
cristal de
kaolinite
Cliché LAVERRET, 2002
POURQUOI LES MINERAUX ARGILEUX SONTILS TOUJOURS PETITS?
parcequ’ils ne peuvent pas grandir! (jolie réponse, n’est-ce pas?)
Défauts de position dans la direction a. a
Défaut d’empilement dans la direction c
d’après Ferrage, 2004
b
0 water layer
1 water layer
2 water layers
Pour grandir, les structures cristallines défectueuses ont besoin d’énergie. La
nucléation devient alors plus économique que la croissance.
10.3 SOLS ET ROCHES ALTEREES
LES SOLS NAISSENT ET SE DEVELOPPENT
Formation d’un sol podzolique sur les dunes de l’île d’Oléron. La quantité d’argiles
produite augmente avec le temps.
Argiles et matières organiques se mettent en mouvement grâce à l’infiltration de
l’eau de pluie. Perdues dans les horizons d’éluviations (E), Elles s’accumulent dans
les horizons B.
LES ARGILES BOUGENT ET CHANGENT …
Les argiles se modifient avec le temps, Les
espèces expansibles fixent de l’aluminium
dans la zone interfoliaire. Le pouvoir de
gonflement ou de retraction disparait.
20 µm
Les argiles se déposent sur
les parois des pores formant
ainsi des cutanes.
ELLES CHANGENT MÊME TRES VITE
horizons de surface de plantations forestières âgées de 40 ans.
EPICEA
7.2
13.4
3
5
7.8
11.3 10.3 10.0
7
9
11
13
DOUGLAS
15
7.1
12.8 11.1
10.1
7.3
3
5
7
9
11
13
Dans l’horizon organique, les minéraux hérités (mica, kaolinite) se dégradent plus intensément
L. Caner,
comm. pers.
sous peuplement de Douglas. Il se forme des interstratifiés
illite/smectite
15
LES ROCHES ALTEREES
FRANCE
BRESIL
Les différents niveaux
1 - granite sain
2 – granite altéré cohérent
3 – granite altéré friable: SAPROCK
4 – altérite à structure granitique non
conservée: SAPROLITE
5 - sol
POROSITE CONNECTEE DANS UN GRANITE
porous zone
microcrack
cleavage
Autoradiography picture of an
unaltered granitic rock.
The connected porosity is
impregnated with a C-14 doped
resin. The sample is sieved
and the section polished before
recovered with a photography
film.
Microfractures,intergranular
joints, open cleavages and
porous zones are connected
forming a dense network.
Water penetrates everywhere
inside the rock.
Courtoisie Paul Sardini
100 µm
REACTIONS MINERALES
1 – microsystèmes de contact
Réactions minérales le long des joints de grains.
Micas-orthose: localement, les conditions
chimiques sont réunies pour la cristallisation
d’illite.
Micas-plagioclase: pas d’illite – kaolinite dans le
feldspath et vermiculite dans la biotite.
REACTIONS MINERALES
2 – microsystèmes internes
Réactions minérales le long des fractures
internes des cristaux.
Muscovite: vermiculite alumineuse.
Orthose: kaolinite - vermiculite alumineuse.
quartz
orthoclase
dioct. Al-expandable phase
+ kaolinite
cutan
(kaolinite+ Fe-ox.)
quartz
2 - saprock
REACTIONS MINERALES
3 – effets catalytiques des surfaces
Clay minerals forming on the (001) and (110) crystal
clivages are not identical. Differences come from the
atomic distribution emerging on each faces (AUTOCATALYSIS).
kaolinite/smectite
saponit
e
(00
1)
(11
0)
Proust et al. (2006) Clays and Clay Minerals, 34, 351-362.
LE MOTEUR DE L’ALTERATION
Diffusion is driven by chemical potential gradients: dµi/dl
4 parameters: - Dµi (difference of chemical potential J mol -1)
- l (length of diffusion path m)
- Di (apparent diffusion coefficient for i m2 s-1)
- A (effective pore area m2)
µi
Dµi
ii
µi
Dµi
length
flowing
solution
µi
eq
Csol
Dµi
y
z
10.4 SEDIMENTS ET DIAGENESE
10 µm
Laverret (2003)
LES ARGILES VOYAGENT PAR LE VENT, L’EAU,
LA GLACE
ESPAGNE
Remplissage des
bassins sédimentaires
SAHARA
Nuage de poussières vu de
la navette spatiale
DISTRIBUTION DES ESPECES ARGILEUSES
colloïds
suspended particles
total suspended load
Composition minéralogique des particules
transportées par l’Amazone
quartz
kaolinite
mica
smectite
physical
processes
a
feldspars
chlorite
illite
chlorite
0.1
0.2
0.4
1
2
4
10
20
40
particle diameter (µm)
chemical processes
vermiculite
mixture
illite
chlorite
vermiculite
smectite
kaolinite
kaolinite
glacial soils
smecite
temperate climate soils
oxisols
arid soils
del tai c
sediments
turbidite
marine sediments
Variation de la charge
minérale d’un fleuve en
fonction du relief.
100
ARGILOGENESES EXCEPTIONNELLES
a
Précipitation chimique
d’argiles magnésiennes
dans les lacs salés (climats
arides).
evaporation
salted water table
Mg, Ca, Si, Na, K
wadi
kaol, sm, ill,chl
salted lake
sm,pal
pal,sep
sep
panache
a
ash falls
pyroclastic
flow
andosols
tonstein
bentonite
Altération rapide des cendres volcaniques
en contact l’eau. Les dépôts de bentonites
sont très recherchés pour leurs propriétés
industrielles.
REACTIONS MINERALES PRECOCES
Les sédiments déposés au large des
embouchures réagissent avec le milieu marin
qui fourni du potassium et de la matière
organique. L’effet réducteur (consommateur
d’oxygène) de cette dernière mobilise le fer
sous la forme Fe2+.
goethite
-10 m
25-27 °C
thermocline
berthierine
Il se forme un minéral riche
en fer et potassium: la
glauconites.
-50 m
15-20 °C
glauconie
-125 m
10-15 °C
-250m
D’autres espèces se
forment également sans
potassium: les berthiérines.
ENFOUISSEMENT = COMPACTION +
AUGMENTATION DE LA TEMPERATURE
Gradient de température le plus fréquent: 25°C km-1
Wood & Hewitt, 1984
a
litho s ta tic
pres s ure
hydro s ta tic
pres s ure
thermal s ubs idence
tectonic subsidence
bas ement of the s edimentary bas in
Lithostatic pressure is exerted vertically
(direction of gravity) on the framework of
the rock-forming solids.
Hydrostatic pressure is exerted isotropically
on the pore walls. It tends to approach the
lithostatic pressure when fluids are isolated
from the surface by impermeable layers.
b
depth (km)
1 km
pressure (Pa)
5 104
3
6
lithostatic
pressure
hydros tatic
pres s ure
fluid
pres s ure
105
LA TRANSFORMATION SMECTITE → ILLITE
1 – la réaction minérale
Smectite + K+ → illite + quartz.
inte rla yer
cha rge X+
-0.90
X+
1H2O
1H2O
Si
-1.80 K
Al
3.30
R 2+
0.40
Si
3.30
K
Si
3.30
K
R
K
2+
0.50
Si
4
X+
2H2O
-0.60
inte rla yer
s tructure
X+
1H2O
0.70
R3+
3.60
Al
0.70
K
Al
0.70
3+
R
3.50
K
illite
K
montmorillonite
(low charge)
X+
2H2O
X+
2H2O
Si
4
R 2+
0.50
Si
3.30
-1.80 K
K
R 3+
3.50
Al
K
0.70
K
K
Si
K
illite
K
Al
3.30
R 2+
0.40
Si
3.30
-1.80
0.70
R 3+
3.60
Al
0.70
vermiculite
X+ X+
X+ X+ X+ X+ X+
1H2O 1H2O 1H2O 1H2O 1H2O 1H2O 1H2O (high-charge)
Si
Al
3.30
0.70
2+
R 3+
R
0.40
3.60
Si
Al
3.30
0.70
-1.80
K
K
K
K
K
K
K
La transformation de la smectite en illite se fait par l’intermédiaire de minéraux
composites (INTERSTRATIFIES) de plus en plus riches en illite avec la profondeur.
LA TRANSFORMATION SMECTITE → ILLITE
2 – nucleation et croissance de l’illite
Courtoisie D. Beaufort
La transformation de smectite en illite se fait par dissolution et
croissance de cristaux interstratifiés. Leur morphologie change
avec le taux d’illite donc la profondeur:
- cheveux
- lattes
- plaquettes.
LA TRANSFORMATION SMECTITE → ILLITE
3 – changement de texture
Dans les grès, la
réaction d’illitisation
modifie les propiétés
de la roche,
notamment la porosité.
C’est de cela dont
dépend la qualité du
réservoir:
- la porosité définit la
réserve
- la perméabilité
détermine la
capacité à extraire
l’huile.
Courtoisie D. Beaufort
LA TRANSFORMATION SMECTITE → CHLORITE
1 – changement de texture
Courtoisie D. Beaufort
Le même phénomène de dissolution puis de nucléation-croissance s’observe
aussi chez les argiles riches en magnésium. La smectite-Mg se transforme
progressivement en chlorite.
LA TRANSFORMATION SMECTITE → CHLORITE
2 – mécanisme de la croissance
Courtoisie D. Beaufort
Les chlorites riches en fer viennent de la transformation des berthiérines, Elles recouvrent les
grains du grès et colmatent les voies de passage entre les pores. La perméabilité chute: ce sont
des poisons pour les réservoirs.
LA TRANSFORMATION DE LA KAOLINITE
Courtoisie D. Beaufort
kaolinite
L’une des espèces dominantes des sédiments
est la kaolinite, Elle recristallise plusieurs fois
au cours de l’enfouissement et finit par donner
un polytype très différent morphologiquement:
la dickite.
dickite
10.5 ALTERATIONS DE HAUTE
TEMPERATURE
STRUCTURE D’UN CHAMP GEOTHERMIQUE
conduction
fumaroles
150 °C
1 km
PORPHYRY
200 °C
250 °C
Pour un endroit donné, la roche
enregistre d’abord un réchauffement
par les altérations de haute
température puis un réfroidissement
par des altérations de plus basses
températures.
eroded volcano
faults
convection
150 °C
thermal plume
200 °C
250 °C
1 km
PORPHYRY
La chaleur des chambres magmatiques
s’évacue par conduction (processus let
à forte inertie) ou par convection
(processus rapide et évolutif). Cela
conduit à la migration des isothermes
au cours de la période d’activité du
champ géothermique.
faults connected
to surface
circulation of heated fluids
TRANSFORMATION (NUCLEATION, CROISSANCE)
PAR ALTERATION HYDROTHERMALE
CH 7 bis
CH 8
fault
fault
CH 7 bis
fault
100
CH 8
200 °C
100
0
200 °C
LA GEOTHERMIE
500
100 °C
150 °C
A
175 °C
A
1000
B
0 20 40 60 80 100
illite %
B
180 °C
200 °C
200 m
205 °C
210 °C
B
Champ géothermique de Chipilapa
(Salvador)
Beaufort et al., 1995
La variation de la teneur en illite sert de
guide prospection des reservoirs de
vapeur .
0 20 40 60 80 100
illite %
LES VEINES MINERALISEES
t1
t2
dissolution
H2O
H 2O
t3
H 2O
plagioclase dissolution
chlorite
albite
Si, Al, Ca, Na
phengite
éponte blanchie
veine
t
4
+ +
fluorite
fluorite
pyritepyrite
zone de dissolution
des plagioclases
plagioclase
dissolution
chlorite
chlorite
+ +
+
+
albitealbite
ZONE 1
phengite
phengites
+
ZONE 2
+
+
+
+
La circulation des fluids hydrothermaux dans les
fractures connectées provoque l’alteration des
épontes, Celle-ci se propage jusqu’à ce que la
veine soit colmatée.
Certains éléments chimiques très solubles sont
évacués (Ca, Si) mais la plupart se recombinant sur
place formant une zonation autour de la fracture.
DES ARGILES MAGMATIQUES
Chaque aiguille d’apatite est recouverte
de nontronite
nontronite
En refroidissant, le coeur des coulées
basaltiques concentre le magma résiduel
dans des pores de petite taille localisés
dans les espaces inter-cristallins: des
argiles se forment.
apatite
10 µm
ARGILES ET SUBDUCTION
1 – sediments et alteration de la plaque océanique
zone de décollement
asismique
prisme d'accrétion
(sédiments)
oc éa
n
ique
altér
ée
serp
e
l prospectione barriers
Natural
Vrolijkhazards
(1990)
B
A
+
+
+
niqu
e
+
+
+
reau
+
sédiments riches en illite
+
m an
océa
arc volcanique
séismes de la
+ plaque de surface
+
trench
croû
te
bassin
avant-arc
+
sédiments riches
en smectite
ntinis
é
détachement des sédiments
+
manteau serpentinisé
z
(sé one
dim sis
en miq
ts
u
lith e
ifié
s
)
Les argiles des sediments formant le prisme d’accrétion sont entraînées dans la subduction. Le
glissement est asismique tant que la smectite subsiste; il devient sismique lorsqu’elle est
transformée en illite.
Parallèlement les argiles provenant de l’altération hydrothermale de la plaque océanique se
transforment.
ARGILES ET SUBDUCTION
2 – l’altération de la plaque océanique
Chrysotile dans une dunite serpentinisée
chrysotile
Baronnet, 2005
ARGILES ET SUBDUCTION
3 – métamorphisme HP-BT
Mer du Japon
smectite - zéolites
serp
en
MA N
TEA tine
U
jadeite - lawsonite
talc - chlorite OCEANI
QUE
se
rpe
ch
nti
lor
ne
ite
amphibole - lawsonite
-c
hlo
rite
100
ch
lor
ite
éclogite
sp
200
0
100
200
distance (km)
300
ine
lle
-g
CROÛTE OCEANIQUE
profondeur (km)
Honshu
Pacifique
0
Métamorphisme de
haute pression –
basse température
Expulsion d’eau
ren
at
400
500
Les basaltes formant la croute océanique se transforment en schistes bleus puis
amphibolite puis éclogite. Les argiles et les zeolites subsistent au-delà de 10 km de
profondeur.
Le manteau océanique altéré en talc + serpentine se transforme d’abord en roche à
chlorite puis, à grande profondeur en une roche à grenat et spinelle,
ARGILES ET COLLISION
métamorphisme MP-HT (barrowien)
diagenèse
fusion
métamorphisme
Les argiles accomplissent un cycle débutant par leur formation et s’achevant par la
fusion des roches métamorphiques. C’est le métamorphisme barrowien que l’on
observe aux Sables d’Olonne.
ARGILES DANS LE MANTEAU
Where’s the water?
Source of deep water?
Surface (subduction)
Accretion (chondrites)
10 Å phase
Ohtani (2005) Elements
Chondrites have very large water
contents (much greater than Earth)
How much of this water could be
retained on accretion?
Important for carrying water from surface to
deep interior subduction zones.
Fumagalli et al. (2001) EPSL
10.6 DES ARGILES
EXTRATERRESTRES
3 km
Low-Ca Pyroxene
Phyllosilicate
Fe-Phyllosilicate
Mustard (2008) Martian Phyllosilicate Workshop,
Paris.
MARS OFFRE LE VISAGE DE LA TERRE IL Y A 4 Ga
La mission européenne Mars Express a accompli de vraies prouesses avec l ’appareil
embarqué OMEGA. En combinant les signaux spectroscopiques, on peut détecter la
présences d ’argiles.
(Poulet et al., 2005)
S ’il y a des argiles
il y a eu altération
donc présence d ’eau
liquide à un moment
de l ’histoire de Mars.
Argiles
S ’il y a eu de l ’eau,
pourquoi pas LA VIE?
Marwth-vallis
RESEAU DE VALLEES A 3,7 Ga
Le signal spectroscopique dans le
domaine des infrarouges indique
clairement la présence d’argiles
dans un cône sédimentaire au
débouché d’une vallée.
Il y a bien des argiles sur Mars
comme on le voit dans la
météorite martienne Lafayette
EETA 79001
Ehlmann et al. (2008) Nature
LA MISSION CURIOSITY DANS LE CRATERE GALE
Les abords du Mt Sharp
Mt sharp
Sulfates et argiles …
Prélèvement pour analyses
Dépôts fluviatiles
ARGILES DANS LES METEORITES
Argiles riches en fer et
magnésium
Interstratifiés complexes
Cliché Bertrand DEVOUARD
CONCLUSIONS
Les argiles sont partout ou
presque. Elles sont une bonne
carte d’entrée pour faire de la
géologie … mais aussi du génie
civil, de la recherche sur les
nanomatériaux, de la
cosmétique, de la médecine, de
l’architecture …
Mosquée de
Djenné (Mali)
De nombreux laboratoires
consacrent leur activité de
recherche à ces minéraux,
Parmi eux HydrASA à Poitiers
…