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Les minéraux argileux

LaurieBougeois

ST3 - Polytech" Paris UPMC

8 avril 2015

Structure des argiles Origine des argiles Détermination des argiles

Rappels sur les roches sédimentaires

2 / 43

Les minéraux argileux

Roches sédimentaires

Roches carbonatées

calcaires

Roches siliceuses

silex

Roches carbonées

charbon, pétrole

Roches évaporitiques

halite, gypse

Roches détritiques

conglomérats, grès Structure des argilesOrigine des argiles Détermination des argiles

1. Structure des minéraux argileux

2. Hydrolyse et origine des minéraux argileux

3. Méthodes de détermination des minéraux argileux

3 / 43Les minéraux argileux?

Structure des argilesOrigine des argiles Détermination des argiles

Qu"est que les argiles?

Définition des argiles

?argiles ausens granulométrique?particules de taille < 2μm ?argiles ausens minéralogique ?Confusion fréquente car argiles minéralogiques fortement représentées dans les particules < 2μm dans sédiments et sols. ?Très importants à étudier car : ?Abondants dans les sols ?Déterminent certaines propriétés des sols (agrégats etc...) ?Pièges à hydrocarbures ?Indicateurs des conditions d"altération (nature dépend du climat) ?Rétention de polluants ?Utilisation économique (céramique, construction, forage) Diversité de structures associée à une diversité de propriétés ?important de les distinguer

4 / 43Les minéraux argileux?

Structure des argilesOrigine des argiles Détermination des argiles

Définitions

Minéraux argileux

Silicates hydratés en feuillets

?phyllosilicates constituants desroches argileuses(argilites/lutites) et des roches carbonatées

5 / 43Les minéraux argileux?

Mg2+

Nésosilicates

Sorosilicates

Cyclosilicates

OH-

Inosilicates

Tectosilicates

Structure des argilesOrigine des argiles Détermination des argiles

Définitions

Minéraux argileux

Silicates hydratés en feuillets

?phyllosilicates constituants desroches argileuses(argilites/lutites) et des roches carbonatées

5 / 43Les minéraux argileux?

Mg2+

Nésosilicates

Sorosilicates

Cyclosilicates

OH-

Inosilicates

Tectosilicatesolivinesbéryl tourmaline

pyroxènes, amphiboles quartz, feldspaths Structure des argilesOrigine des argiles Détermination des argiles

Définitions

Minéraux argileux

Silicates hydratés en feuillets

?phyllosilicates constituants desroches argileuses(argilites/lutites) et des roches carbonatées

5 / 43Les minéraux argileux?

Phyllosilicates

T O T O ex : kaolinite OH- Al+ ou Mg2+ T O T T O T ex : smectites OT O T T O ex : chlorites Structure des argilesOrigine des argiles Détermination des argiles

Structure des minéraux argileux

Entre deux feuillets?espace interfoliaire :

?videsi feuillet électriquement neutre ?cations,cations hydratésouhydroxyles octaédriquessi besoin de neutraliser de la charge négative des argiles L"épaisseur de l"unité structurale varie entre

7 et 18 Å

6 / 43

Les minéraux argileux

Unité structurale

Espace

interfoliaire

Couche

tétraédrique

Couche

octaédrique O T O e=3Å e=4Å Structure des argilesOrigine des argiles Détermination des argiles

Structure des minéraux argileux

Entre deux feuillets?espace interfoliaire :

?videsi feuillet électriquement neutre ?cations,cations hydratésouhydroxyles octaédriquessi besoin de neutraliser de la charge négative des argiles L"épaisseur de l"unité structurale varie entre

7 et 18 Å

6 / 43

Les minéraux argileux

Unité structurale

Espace

interfoliaire

Couche

tétraédrique

Couche

octaédrique Structure des argilesOrigine des argiles Détermination des argiles

Structure des minéraux argileux

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Les minéraux argileux

Structure des argilesOrigine des argiles Détermination des argiles

Différents minéraux argileux

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Les minéraux argileux

KaoliniteIllite

Smectite

Structure des argilesOrigine des argilesDétermination des argiles

1. Structure des minéraux argileux

2. Hydrolyse et origine des minéraux argileux

3. Méthodes de détermination des minéraux argileux

9 / 43Les minéraux argileux?

Structure des argilesOrigine des argilesDétermination des argiles

Origine des minéraux argileux

Sédiments détritiques

les plus abondants ?proviennent de la destruction de roches pré-existantes

10 / 43Les minéraux argileux?

Structure des argilesOrigine des argilesDétermination des argiles

Origine des minéraux argileux

Sédiments détritiques

les plus abondants ?proviennent de la destruction de roches pré-existantes Toute roche exposée aux conditions de surface peut potentiellement subir une dégradation ?Physique ou mécanique (désagrégation)par l"action du gel, de la gravité, du vent, des vagues etc. ?Préserve la nature minéralogique ?Chimiquepar l"action de l"eau (hydrolyse) ?Transforme des minéraux (parfois dissolution totale)

10 / 43Les minéraux argileux?

Structure des argilesOrigine des argilesDétermination des argiles

Hydrolyse

Hydrolyse

Processus par lequel un cation d"un minéral est remplacé par le H+d"une solution acide. Cette réaction a pour consé- quence de détruire le minéral(mise en solution complète) ou de le convertir en une nouvelle espèce. ?Dissolutions complètes : ?Mg2SiO4olivine+ 4H+→2Mg2++ H4SiO4 ?2(CaMgSi2O6)diopside+ 16H+→2Ca2++ 2Mg2++ 4H4SiO4 ?Dissolution partielle : ?KAlSi3O8orthose+ H+ →Al2Si3O5(OH)4 kaolinite+ K++ H4SiO4

11 / 43Les minéraux argileux?

Structure des argilesOrigine des argilesDétermination des argiles

Altération chimique

Fonction de la résistance des minéraux à la solubilisation halitegypse pyrite calcite dolomite olivine augite hornblende biotiteplagioclases Ca plagioclase Na feldspaths K muscovite smectite quartz kaolinite gibbsite, hématite, goethiteAltérabilité décroissante

12 / 43Les minéraux argileux?

Structure des argilesOrigine des argilesDétermination des argiles

Altération chimique

Fonction de la résistance des minéraux à la solubilisation halitegypse pyrite calcite dolomite olivine augite hornblende biotiteplagioclases Ca plagioclase Na feldspaths K muscovite smectite quartz kaolinite gibbsite, hématite, goethite

Altérabilité décroissante

12 / 43Les minéraux argileux?

olivines pyroxènes Mg pyroxènes Mg, Ca amphiboles biotitesplagioclase Ca plagioclase Ca, Na plagioclase Na, Ca plagioclase K feldspaths K muscovite quartz

Températures (°C)

% silice 1200
900
600

Suite de Bowen

Structure des argilesOrigine des argilesDétermination des argiles

Altération

Intensité de l"altération dépend :

?de l"état de surface des continents (relief, végétation, nature des roches) ?desparamètres climatiques(T°C, précipitations, drainage)

13 / 43Les minéraux argileux?

Structure des argilesOrigine des argilesDétermination des argiles

Altération

Hydrolyse intense

Mise en solution totale

Précipitation d"oxydes de Fe, Al

14 / 43Les minéraux argileux?

Structure des argilesOrigine des argilesDétermination des argiles

Altération

Hydrolyse intense

Mise en solution totale

Précipitation d"oxydes de Fe, Al

14 / 43Les minéraux argileux?

Gneiss altéré

Horizon riche en kaolinite

Horizon organo-minéral

Structure des argilesOrigine des argilesDétermination des argiles

Altération

Hydrolyse intense

Mise en solution totale

Précipitation d"oxydes de Fe, Al

Altération physique

Hydrolyse ménagée

Arène : Quartz + Feldspath K

14 / 43Les minéraux argileux?

Structure des argilesOrigine des argilesDétermination des argiles

Altération

Hydrolyse intense

Mise en solution totale

Précipitation d"oxydes de Fe, Al

Altération physique

Hydrolyse ménagée

Arène : Quartz + Feldspath K

14 / 43Les minéraux argileux?

Arène meuble

Altération en boule

Roche mère fracturée

Structure des argilesOrigine des argilesDétermination des argiles

Formation des minéraux argileux

Transformations?altérations

Bisiallitisation

?lessivage partielde la silice et des cations basiques (K+, Ca+etc.) ?édification de silicates de type 2 :1 ou T-O-T (illite) ?Monosiallitisation ?lessivage totaldes cations basiques et perte importante de silice ?formation de silicates de type 1 :1 ou T-O (kaolinite) ?Allitisation ?hydrolyse totale: disparition du reste des cations et de la silice mobiles et précipitation de l"alumine ?formation d"hydroxydes d"aluminium (gibbsite)

Néoformations

Formation de minéraux argileux à partir de solutions concentrées en ions (Si, Al, Mg) ?zones d"évaporation

15 / 43Les minéraux argileux?

Structure des argilesOrigine des argilesDétermination des argiles

Altération chimique : devenir des ions

Diagramme de Goldschmidt (1934)

?fonction de l"attirance des ions pour la molécule d"eau = f(Z/r)

16 / 43Les minéraux argileux?

K CaNa Fe 2+ Mg Fe3+ AlTi Mn Si B CPSN

Z/R = 10

oxyanions solubles cations précipitants = HYDROSILATS cations solublesZ/3 = 3Rayon ionique (Å) 0.5

1.01.5

charge Z1 2345 Structure des argilesOrigine des argilesDétermination des argiles

Formation des minéraux argileux

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Les minéraux argileux

Structure des argilesOrigine des argilesDétermination des argiles

Argiles en environnement océanique

kaolinite: proche zones équatoriales, débouché des grands fleuves; ?chlorite: zones froides→altération physique et roches Fe-Mg; ?illite: zones d"apports terrigènes importants→latitudes élevées, embouchures de grands fleuves; ?smectite ?proximité zones arides (faible drainage→rétention de Mg, Ca, Na); ?rides médio-océaniques (altération des basaltes).

18 / 43Les minéraux argileux?

Structure des argilesOrigine des argilesDétermination des argiles

Origine des minéraux argileux - Bilan

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Les minéraux argileux

Kaolinite

Gibbsite

Smectites

Paligorskite

SépioliteIllite

Chlorite

Structure des argilesOrigine des argilesDétermination des argiles

Origine des minéraux argileux - Bilan

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Les minéraux argileux

Kaolinite

Gibbsite

Smectites

Paligorskite

SépioliteIllite

Chlorite

ROCHE MÈREbasiqueacide

altération roche acide chlorite, kaolinitealtération roche basique smectites Structure des argilesOrigine des argilesDétermination des argiles

Origine des minéraux argileux - Bilan

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Les minéraux argileux

Kaolinite

Gibbsite

Smectites

Paligorskite

SépioliteIllite

Chlorite

ROCHE MÈREbasiqueacide

altération roche acide chlorite, kaolinitealtération roche basique smectites

TOPOGRAPHIE

sommetpente drainage & lessivage +++ kaolinite cuvette, milieu confiné concentration des solutions smectites cuvette Structure des argilesOrigine des argilesDétermination des argiles

Origine des minéraux argileux - Bilan

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Les minéraux argileux

Kaolinite

Gibbsite

Smectites

Paligorskite

SépioliteIllite

Chlorite

ROCHE MÈREbasiqueacide

altération roche acide chlorite, kaolinitealtération roche basique smectites

TOPOGRAPHIE

sommetpente drainage & lessivage +++ kaolinite cuvette, milieu confiné concentration des solutions smectites cuvette

CLIMAT

hydrolyses faibleshydrolyses fortes Structure des argiles Origine des argilesDétermination des argiles

1. Structure des minéraux argileux

2. Hydrolyse et origine des minéraux argileux

3. Méthodes de détermination des minéraux argileux

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Les minéraux argileux

Structure des argiles Origine des argilesDétermination des argiles

Rappels de minéralogie

Qu"est ce qu"un cristal?

21 / 43Les minéraux argileux?

cristal de quartzprotéine d"unrotavirus VP6flocon de neige Structure des argiles Origine des argilesDétermination des argiles

Rappels de minéralogie

État cristallin vs état amorphe

22 / 43Les minéraux argileux?

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