Gologie des argiles Chapitre 1Introduction Chapitre 1. Introduction Dfinition Ilnexistepasdedfinitionuniqueduterme argile .Lemot argile englobedeux connotations,lunelielatailledesgrainsetlautrelaminralogie.Ladfinition dpend de la discipline concerne. Le gologue ou le pdologue considrent comme argile tout minral de faible granulomtrie, la limite tant fixe 2 ou 4 microns selon les cas. Les ingnieurssattachentpluttauxpropritsdeplasticitdesmatriauxargileuxquelquesoit leur taille. Les cramistes regroupent les matriaux selon leur comportement au chauffage... Gnralement,lesminrauxargileuxsontdesphyllosilicateshydratsdepetitetaille. Cependant (1) des minraux comme les illites ou les chlorites sont frquents dans la fraction silteusedesrochesmagmatiquesetmtamorphiques;(2)touslesminrauxargileuxnesont pasdesphyllosilicates(e.g.,quartz,feldspath),nimmedessilicates(e.g.,oxydes).Les argiles sont gnralement cristallises, mme si des argiles amorphes existent (e.g. allophanes dans les sols dvelopps sur substrat volcanique ou andosols). Dans les ouvrages de rfrence, ilexistediffrentespropositionsdedfinitions.Parexemple,Eslinger&Peaver(1988) proposentdedfinirlesargilescommeunminralquidominedanslafractionfine500C).Parcontre,ellessontabondantes dans les sols, sdiments, roches sdimentaires ainsi que dans les zones daltration hydrothermale. Figure 1.2 Les argiles et le cycle sdimentaire (Eslinger & Peaver, 1988) 2Gologie des argiles Chapitre 1Introduction La figure 1.3 illustre le lien existant entre la composition des assemblages argileux dans des sdiments marins (Atlantique NW, W Thtys) et le cycle godynamique. Figure 1.3 Les argiles et le cycle godynamique (Chamley, 1989) Nomenclature des roches argileusesSi lon excepte le quartz, les argiles sont les minraux les plus abondants de la lithosphre. En effet (Fig. 1.4): -les rochessdimentairessont les roches les plus abondantes en volume la surface de la lithosphre;-les shales dominent les roches sdimentaires;-les argiles sont les principaux constituants des shales. Il nexiste pas de terme prdfini pour dcrire une roche compose principalement de minrauxargileux(ausensminralogiqueduterme).Lestermesclaystone,mudstone, lutiteetpliteontuneconnotationdetailleetnonminralogiquealorsquecesroches sontdominespardesphyllosilicates.Enpratique,lidentificationestpourtantbasesur laminralogie(diffractiondesrayonsX)pluttquesurlagranulomtrie.Dansde nombreuxcas,lesminrauxphyllosilicatsappartiennentlaclassedessilts.Par consquent,lesrochesappelesclaystone,mudstone,lutiteouplitesontgnralement des siltstones! 3Gologie des argiles Chapitre 1Introduction Figure 1.4- Importance des argiles dans les roches sdimentaires (Beauchamp, 2002) Le tableau (Tab. 1.1) rsume la nomenclature en usage pour les roches riches en minraux argileux.Lesptrologuesutilisentlatexturedelarochenonconsolidepourclasserles roches.Ilsassumentdoncquelagranulomtriedessdimentsnonconsolidsestprserve intgralement dans le sdiment enfouis, en ignorant les processus diagntiques qui affectent laminralogieetlatexture.Letermeshaleimpliquequelarochetendancesedbiter selondesplansparallleslastratification.Danslesshales,lafissilitaugmenteselonla proportion de phyllosilicates mais les phyllosilicates doivent atteindre une taille suprieure 5 micronsavantquelafissilitnesedveloppe.Gnralementlespropritsdedbitage dpendentdesconditionsdedpt,diagenseoudemtamorphisme.Touteslesroches constitues de matriaux de faible granulomtrie sont massives sous des pressions leves. La fissilitnesedveloppequelorsquelapressiondiminue.Lesautresrochesncessitentune altration (infiltration deau?) plus pousse pour que des clivagesse dveloppent. Par contre, desrochescomportantuneforteproportiondeminrauxgonflants(i.e.,lesbentonites)ne dveloppent pas de fissilit tant quelles nont pas perdu une fort quantit deau. 4Gologie des argiles Chapitre 1Introduction Table 1.1- Nomenclature (Weaver, 1989) Conditions de formation et stabilit des argiles Lesargilesrsultentdelinteractiondunesolutionavecunerochepr-existante(Fig. 1.5a, 1.5b). Les processus de dissolution et de recristallisation conduisent la formation ou la transformation des minraux argileux. La proportion deau par rapport au solide dtermine ledegr,letypederactionschimiquesetfinalementletypedeminralform.Lesargiles sont instables en milieu anhydre. Lorsque leau est abondante, le solide devient instable et la dissolution(congruente,complte)constituelapremiretapedinteractioneau/roche. Lorsque la proportion eau/roche avoisine 1, la dissolution est incongruente, c--d que certains 5Gologie des argiles Chapitre 1Introduction lmentssontdissous,dautresrestentenphasesolide.Lesminrauxargileuxconstituent gnralement la phase solide car ils sont gnralement hydrats, caractriss par une structure physiqueparticulirediffrenteduminralpr-existant(i.e.,volumesuprieurli lhydratation).Danslafigure1.5b,larelationentrelaproportionrelativeeauetrocheest mise en parallle avec les diffrents processus de formation des argiles (i.e., altration, dpt ou sdimentation, enfouissement responsable de la diagense, altration hydrothermale).Figure 1.5a Conditions de formation et de stabilit des minraux argileux (Thorez, 1989). J.Thorez(1989)dfinitlesargilescommedesmutants,ilsagitdeminrauxen continuelle volution minralogique pour atteindre un tat dquilibre thermodynamique selon lagentdaltration.Cesmutationsmodifientlaprsence,labondanceetlacompositiondes minraux argileux. Figure 1.5b Conditions de formation et de stabilit des minraux argileux (Velde, 1995). 6Gologie des argiles Chapitre 1Introduction Encequiconcerneleursconditionsdeformation(Fig.1.5c,1.5d),lesargilesnesont prsentes qu proximit de la surface terrestre, dans un environnement limit une certaine gamme de temprature et de temps. Figure 1.5c Conditions de formation et de stabilit des minraux argileux (Velde, 1995). Pourlamajoritdesargiles,leurstabilitselimiteauxquelquescentainesdemtres suprieursdelacroteterrestre.Dsquelatempraturedpasse50-80C,lesargiles deviennent instableset commencent se modifier en dautres minraux argileux ou dautres structures(e.g.,mica,feldspath).Lafiguredonnelagammedvolutiondesargilesen fonction de la temprature et du temps. Pour de faibles tempratures, de longues priodes de tempssontncessairespourchangerlaminralogiedesargiles.Parcontre,pourdecourtes priodes de temps, la temprature de formation peut atteindre quelques centaines de degr. Le taux dvolution est fortement influenc par la temprature ambiante. Une temprature leve acclrelaractionmaislvolutiondelatemprature dans les phnomnes gologiquesest trsvariable.Lesvnementsrapidessontgnralementdesphnomneslocaliss,ils dstabilisentlesassemblagesargileuxetimpliquentdeschangementschimiques(e.g., intrusion magmatique, percolation de fluide). Au contraire, des processus de sdimentation et denfouissementsont des vnements qui se produisent sur de longues priodes (1-100 Ma). Lesargilessonttransformesdansdesbassinssdimentairesanciensetpeuprofonds(e.g., 200 Ma, 2 km de profondeur, T basse +/- 80C). Les argiles resteront intactes dans de bassins plus jeunes, plus profonds et plus chaud (e.g., 2 Ma, 5 km, 180C). La dimension temporelle est donc essentielle, au mme plan que la temprature, dans la stabilit et lvolution des argiles.7Gologie des argiles Chapitre 1Introduction Figure 1.5d Conditions de formation et de stabilit des minraux argileux (Velde1995). Organisation du cours Le cours de gologie des argiles est structur en trois parties. La premire partie dcrit les argilesentantqueminraux(compositionchimique,structure).Aprsunervisiondela nomenclature existante, nous dvelopperons les proprits physico-chimiques spcifiques aux argilesainsiquelesmthodesparticuliresdidentification.Lasecondepartieconcerne ltude des argiles au cours du cycle gologique. Nous aborderons les conditions de formation des minraux argileux, de transport, de sdimentationet dvolution au cours de la diagense. Ensuite la troisime partie sera consacre aux applications, tantfondamentales quappliques des argiles. Plan du cours (15H + 15H) 1.INTRODUCTION 2.METHODES DETUDES 3.CLASSIFICATION et NOMENCLATURE 4.PROPRIETES PHYSICO-CHIMIQUES 5.ORIGINES, PROCESSUS DE FORMATION 6.ENVIRONNEMENTS SEDIMENTAIRES 7.DIAGENESE 8.RECONSTRUCTIONS PALEOENVIRONNEMENTALES 9.ARGILES et INDUSTRIES 10.ARGILES et ENVIRONNEMENT 8Gologie des argiles Chapitre 1Introduction Clay GeologyStructureClassificationAnalysisMethodsOriginsFormationprocessesSedimentary environmentsDiagenesisPhysico-chemicalpropertiesMineralogyCristallographySedimentologyPedologyApplicationsFundamentaland Applied ResearchClays and IndustryClaysand EnvironmentEnvironmentalReconstructionsPaleoceanographyPaleoclimatology Plan dtaill 1. INTRODUCTION Dfinition Les argiles dans le cycle gologique Objectifs du cours 2. METHODES DETUDES Diffraction des rayons X Microscopie lectronique transmission (MET) Microscopie lectronique balayage (MEB) Analyse thermo-gravimtrique (ATG) Analyse thermique diffrentielle (ATD) Infrarouge 3. CLASSIFICATION et NOMENCLATURE Structures des minraux argileux Critres de classification Les familles argileuses Kaolinite Illite Smectites Chlorite Palygorskite et spiolite Minraux interstratifis 4. PROPRIETES PHYSICO-CHIMIQUES Forme et surface spcifique Adsorption deau et gonflement 9Gologie des argiles Chapitre 1Introduction Capacit dchange ionique 5. ORIGINES, PROCESSUS DE FORMATION Introduction Pdogense Authigense Hydrothermalisme 6. ENVIRONNEMENTS SEDIMENTAIRES A. Environnements continentaux Apports oliens Rivires Lacs Estuaires B. Environnements marins Introduction Distribution des minraux argileux dans lOcan Carte gnrale 7. DIAGENESE Introduction Ractions diagntqiues Modles diagntiques Facteurs contrlant la diagense 8. RECONSTRUCTIONS PALEOENVIRONNEMENTALES Introduction Reconstruction climatique Influence de la mousson, exemple de la Mer dArabie Reconstruction tectonique Ouverture dun bassin ocanique, exemple de la Mer du Japon Reconstruction des palocirculations Influence des courants profonds, exemple des bassins marginaux de lAtlantique Nord 9. ARGILES et INDUSTRIES Introduction Kaolin Bentonites Argiles pour la construction Minraux rfractaires 10. ARGILES et ENVIRONNEMENT Introduction Rle des argiles dans la rtention des lments traces Bio-disponibilit des mtaux lourds Centre denfouissement technique II. TRAVAUX PRATIQUES Diffraction des rayons X Production des rayons X Interactions avec les minraux argileux Spectres de diffraction des minraux argileux Comportements aprs saturation cationique Interprtation des spectres de diffraction dassemblages naturels: Exercice de dpouillement Laboratoire Sparation de la fraction argileuse dun sdiment Confection dun agrgat orientAcquisition du spectre de diffraction Traitement informatique des donnes et interprtation.10Gologie des argiles Chapitre 1Introduction REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES GENERALITES Chamley, 1989. Clay sedimentology. Springer-Verlag.Velde, 1992. Introduction to clay minerals. Chapman and Hall.Velde, 1995. Origin and mineralogy of clays. Clays and the environment. Springer.Weaver, 1989. Clay, muds, and shale. Developments in sedimentology 44, Elsevier. ARGILES et ENVIRONNEMENT Carretero, 2002. Clay minerals and their beneficial effects on human health. A review. Applied clay Science 21, 155-163.ParkerandRae,1989.Environmentalinteractionsofclays,claysandtheenvironment.Springer UD8504/AR:AP.003. METHODES Caillire,HninetRautureau,1982.Minralogiedesargiles.1.Structuresetpropritsphysico-chimiques. Masson.Eslinger and Peaver, 1988. Clay minerals for petroleum geologists and engineers, SEPM Short course 22. Soc. Economic paleontologists and mineralogists, Tulsa, USA.Holtzapfell, 1985 - Les minraux argileux. Prparation, analyse diffractomtrique et dtermination. Soc. Gol. Nord, 12.MooreandReynolds,1989.X-Raydiffractionandtheidentificationandanalysisofclayminerals.Oxford University Press.Tucker, 1991. Techniques in sedimentology. Blackwell. STRUCTURES et CLASSIFICATION Caillire, Hnin et Rautureau, 1982. Minralogie des argiles. 2. Classification et nomenclature. Masson. ORIGINE et ALTERATION Allen, 1997. Earth surface processes. Blackwell.La Nature, 1981. Le sol, un monde vivant, volume 10. Encyclopdie, Hachette.Miller and Gardiner, 1998. Soils in our environment. Prentice Hall.Thorez, 1985. Argillogenesis and the hydrolysis index. Miner. Petrogr. Acta 29, 313-338.J.Thorez,1976.Practicalidentificationofclayminerals.Ahandbookforteachersandstudentsinclay mineralogy. Lelotte ed., Dison, Belgique.J. Thorez, 1989. Argilloscopy of weathering and sedimentation. Bull. Soc. Geol. Belgique 98-2, 245-267.White, 1999. Principles and practice of soil science. The soil as a natural resource. Blackwell. ENVIRONNEMENTS SEDIMENTAIRES Chamley, 1989. Clay sedimentology. Springer-Verlag.Lisitzin, 1996. Oceanic sedimentation. Lithology and geochemistry. American Geophysical Union.Weaver, 1989. Clay, muds, and shale. Developments in sedimentology 44, Elsevier. ARGILES et INDUSTRIES Grim and Guven, 1978. Bentonites. Developments in sedimentology 24, Elsevier.Manning, 1995. Introduction to industrial minerals. Chapman and Hall, Cambridge University Press. CHIMIE Newman,1987.Chemistryofclayandclayminerals.MineralogicalSocietyofGreatBritain,Monograph6, Longmans, London. APPLICATIONS ISOTOPIQUES Clauer and Chaudhuri, 1995. Clays in crustal environments. Isotope dating and tracing REVUES SPECIALISEES Clay Mineral, Mineralogical Society of Great Britain, London. Clay and Clay Minerals, Journal of the Clay Minerals Society, USA. REVUES DIVERSES American Mineralogist, Catena, Contributions to Mineralogy and Petrography, Geoderma,Journal of Sedimentary Petrology, Marine Geology, Soil Sciences.11Gologie des argilesChapitre 10Environnement Chapitre 10. Argiles et environnement Introduction Lesargilesjouentunrlesignificatifdansunegammevariedeproblmes environnementaux et les applications augmentent sans cesse. La figure 10.1 donne quelques domaines dapplications :-rledesargilesdanslessolscontaminsdansletransportdesisotopesradioactifset leur ractivit vis--vis de ceux-ci (e.g., rtention du 137Cs aprs laccident de Tchernobil) ; -rle vis--vis des pesticides et des lments mtalliques dans les sols ; -rle de barrire dtanchit dans les dcharges ; -rle dans la sant. Figure 10.1 Rle des argiles dans lenvironnement Parker & Rea, 1989 178Gologie des argilesChapitre 10Environnement Rle des argiles dans la rtention des lments traces Les lments traces dans les eaux naturelles et dans les sols sont rapidement pigs par la phaseparticulairepardescollodes.Lefficacitduprocessusdpenddespropritsetdela concentrationduractantetdefacteursenvironnementauxquiaffectentlespropritsde surfacedescollodes.Lesargilesinterviennentsuiteleurspropritsdadsorptionet dabsorption et leur capacit former des complexes organo-minraux (argile-oxyde-humus). Lafigure10.2rappellecesproprits.Labsorptionconsisteenlaccumulationdespces chimiqueslasurfacedesargiles.Ladsorptionregroupelesprocessusdincorporationdes polluantsdanslastructureargileuse.Ilsagitdeprocessuscomplexesquelonpeut schmatiser(Fig.10.3).Lasurfaceargileuseestchargengativement(chargefixe).Cette chargeestneutralisepardescationspositifsvenantdelasolutionencontact,cescations dfinissent la charge diffuse ou couche de Gouy (cf. chapitre 4). Les ions de la couche diffuse sont adsorbs mais peuvent tre changs avec dautres ions si la composition de la solution change. Si les ions adsorbs sont fortement lis aux argiles (adsorption spcifique), la couche fixe incorpore des ions et la couche de Gouy devient charge ngativement. Figure 10.3 Rle des argiles dans la migration des lments traces: processus dadsorption Parker & Rea, 1989Figure 10.2 Adsorption et absorption Parker & Rea, 1989 Leslmentstracesvontdonctretransportsaveclescollodesparleauoulevent, sdimenterouformerdesagrgatsparfloculation.Ladsorptionestsouventlenteet incomplte. La sorption se produit au niveau des surfaces des argiles par liaisons ioniques. 179Gologie des argilesChapitre 10Environnement Lecationmtallique(Fig .10.4)gardesasphredhydratationetnestdoncpasencontact direct avec la surface argileuse tant que les molcules H2O et les groupes OH- ne forment pas deliaisonshydrognesaveclesatomesdoxygnesdessurfacesargileuses.Acestade,le cation mtallique se rapproche de largile, la liaison devient plus forte vu la perte de la sphre dhydratation.Larversibilitduprocessusdpendduncationunautre(taille,charge, degr dhydratation) et de la nature du minral et des conditions environnementales (pH). Figure 10.4 Transport des lments traces par les collodes Parker & Rea, 1989 Lespropritsdadsorptions.l.varientselonlanaturedelargile,enparticulierselonla capacitdchangecationique(Fig.10.5).Parmilesargiles,lesmontmorillonitesetles vermiculites ont les capacits les plus importantes. Figure 10.5 Adsorption du cuivre par diffrentes argiles Parker & Rea, 1989 180Gologie des argilesChapitre 10Environnement Cependantlacapacitdchangecationiquenestpasleseulparamtre.Lafigure10.6 compare les proprits dadsorption (au sens large) des oxydes Fe-Mn, de lacide humique et desargiles(montmorillonite)pourleCo.IlsemblequelesoxydesFe-Mnetlamatire organiqueaientdescapacitsdadsorptions.l.plusimportantesquelesargiles.De nombreusesexpriencesonttralisespourtudierlecomportementduZn.Lesrsultats montrent que la capacit dchange cationiquedes acides humiques est plus grande que celle desbentonitesetdesoxydes.Parcontre,lacapacitdadsorptionpourleZnestmaximale pour les oxydes et plus importante pour les acides humiques que pour les bentonites. Bien que lesoxydesaientunecapacitdchangeplusimportantequelesoxydes,leurcapacit dadsorptions.l.est2ordresdegrandeurplusfaible.Lacapacitdadsorptions.l.serait corrle la force des liaisons entre le ractant et les lments mtalliques (Tab. 10.1). Figure 10.6 Adsorption du cobalt par diffrentes substances Parker & Rea, 1989 Table 10.1 Influence de la capacit dchange dans les processus dadsorption: Exemple du zinc Parker & Rea, 1989 181Gologie des argilesChapitre 10Environnement Bio-disponibilit des mtaux lourds Lesargilesjouentunrledanslepigeagebiologiquedesmtauxlourdstoxiques.En particulier,ellesrduisentleseffetstoxiquespourdiffrentsmtaux(e.g.,Cd,Pb,Hg,Cu, Ni).Lafigure10.7illustrelesexpriencesdeStotzkyetal.Cesexpriencesdmontrent lhabilit de diffrentes argiles protger les bactries dans les sols ou les champignons des effets toxiques du Ni, Cd, Zn et Pb. En prsence de Pb, le taux de croissance des populations est limit pour la kaolinite, moyen pour la palygorskite et lev pour la montmorillonite. Ces tendances refltent le taux de capacit dchange de ces diffre,nts minraux (i.e., faible pour la kaolinite, moyen pour la palygorskite, et lev pour la montmorillonite). Figure 10.7 Rle du pH dans ladsorption du mercure Parker & Rea, 1989 Lafigure10.8prsenteledegrdadsorptions.l.duHgpourdiffrentsconstituantsdes sols(oxydesdeFehydrats,kaolinite,bentonite,illite,compossorganiques).Leprocessus dadsorption s.l. dpend du pH : il diminue lorsque le pH augmente. En conditions acides, le nombredesitesdadsorptionchargspositivementaugmenteetlenombredesitecharg ngativement diminue. Les ions H+ sont en comptition avec les cations mtalliques pour les sites dchanges bas pH. Les cations hydroxyls (e.g., HgOH+) forms par hydrolyse ont des liaisons plus fortes que les cations mtalliques libres (e.g., Hg2+). En condition acide, le mtal reste sous forme de cation libre et le pourcentage dadsorption s.l. par un collode est faible. Avec laugmentation du pH, la concentration de cations mtalliques hydroxyls augmente et le pourcentage de cations mtalliques li aux collodes augmente brutalement.182Gologie des argilesChapitre 10Environnement Figure 10.8 Contrle de la bio-disponibilit sur ladsorption du plomb par diffrentes argiles Parker & Rea, 1989 SilepHaugmentedavantage,ilyaformationdhydroxydesnonchargs(e.g.,Hg(OH)H) puis danions mtalliques (e.g., Hg(OH)3-). Le pourcentage dadsorption s.l. diminue suite la rpulsionentreanionsetsurfaceargileusengative.Lafiguremontrequelescapacits dadsorptionsontminimalespourlakaolinite,faiblespourlabentoniteetplusimportantes pour les oxydes. Cependant, il existe des rsultats contradictoires selon les expriences. Ceci souligne la complexit des processus. Rle des argiles dans la construction de centre denfouissement technique (CET) Lesargilessontutilisesdanslaconstructiondebarriresimpermables.Lessmectites sontprfrentiellementutilisestantdonnleurractivitchimiqueetleurimpermabilit aprscompaction(cf.chapitre9).Lafigure10.9illustreladispositiondesbarrires dtanchit entre la dcharge et le socle gologique. Les argiles peuvent tre utilises seules ou mlanges des matriaux composites. 183Gologie des argilesChapitre 10Environnement Figure 10.9 Rle des argiles dans la construction de centre denfouissement technique Parker & Rea, 1989 Lagestiondesdchargesdoitintgrertouteslescirculationsdeaususceptiblesderagir aveclesdchetsenproduisantdeslixiviatsetleurmigrationverslextrieurdudispositif (Fig. 10.10).Figure 10.10 Rle des argiles dans les CET: circulation deau dans les centre denfouissement technique Parker & Rea, 1989 Gnralement, un site de dcharge est subdivis en petites units ou cellules, avec chacune un systmedecollecteetdecontrledeslixiviats(Fig.10.11).Lesdchetssontdposs, compacts puis couverts quotidiennement par une couche dargile ou dun autre matriel pour viter un transport par les vents, limiter la circulation deau et viter les infestions par les rats. Lorsqueleremplissageestcomplet,lacelluleestscelleparuncouvercleenmatriau compositeounonetunenouvellecelluleestutilise.Ensuitelorsquelesoprationssont termines, une couverture vgtale est installe pour permettre le ramnagement du site. 184Gologie des argilesChapitre 10Environnement Figure 10.11 Rle des argiles dans la construction de centre denfouissement technique : Remplissage des dcharges Parker & Rea, 1989 Le choix du site dpend de la gologie du substrat. Parfois, il est ncessaire dinstaller un liner constitudargilesnaturelles(1cmdpaisseuroumoins),debentonitessodiques (bentonitesduWyoming)ouduncompositebentonite-gotextile.Labentoniteestun matriel cher. Gnralement 8% de bentonites sont mlanges du matriel provenant du sol ousubstratlocal.Cemlangevaconstituerunecouchedeplusieursdizainesdecentimtres dpaisseur.Danslematrielcomposite,labentoniteestintercaleentre2couchesde gotextiles.Actuellement,destudesdelaractivitdargilesnaturellesexploitesdanstrois gisements en Belgique (Soignies, Kruibeke, Tournai) sont ralises dans le cadre dune action derechercheconcerte(ARC,prof.R.Charlier,ULg).Destudesexprimentalessurle comportementdesargilesvis--visdeslixiviatssontenvisagesenparallleaveclesuivi dchantillonsnaturelsprlevsdanslesdcharges.Lobjectifdecestudesintgrant approchefondamentaleetappliqueestdemieuxchoisirlematrielargileuxpourla construction de futurs centres denfouissement technique. 185Gologie des argilesChapitre 9Argile et industrie Chapitre 9 Argiles et industries Introduction Lexploitationdesminrauxremonteplusieursmilliersdannes.Lesargilespour fabriquerlesbriques,parexemple,sontutilisesdepuisau-moins5000ansetsonttoujours utilisesactuellement,mmesilestechniquesdeproductionontchang.Lesminraux industrielssontpardfinitiondesmatriauxgologiques,exploitsviadesmines(ausens large) et qui ont une valeur commerciale. Ils peuvent tre utiliss seuls ou comme additifs. Le tableau 9.1 donne titre indicatif le prix (en livre sterling, cours 1995) la tonne. Les argiles sontfrquemmentutilisescommeminrauxindustriels(e.g.,kaolin,bentonite,vermiculite, argiles rfractaires). Le tableau 9.2 compare les proprits des grandes familles argileuses. Table 9.1 Prix des minraux industriels Manning, 1995 161Gologie des argilesChapitre 9Argile et industrie Table 9.2 Proprits des argiles industrielles Manning, 1995. 1. Kaolin et bentonites Kaolin et des bentonites constituent la famille principale parmi les argiles industrielles. Le tableau 9.3 rsume leurs applications principales.-Le kaolin ou china clay est une kaolinite presque pure. Chimiquement inerte, elle est utilise pour donner de la blancheur et de lclat dans les cramiques, les peintures et les papiers de haute qualit. Table 9.3 Principales utilisations des kaolins, ball clay et bentonites Manning, 1995Kaolins ( china clay )- enduits pour papier- liants dans les peintures, plastiques, produits pharmaceutiques- composants des cramiquesBall clay- composant dans les cramiques pour la production dquipement sanitaire, vaisselle, tuiles de toitures, briques- argiles de mauvaise qualit utilises pour sceller les dchargesBentonite- boue de forage- litire pour chats- barrire dtanchit dans les dcharges 162Gologie des argilesChapitre 9Argile et industrie -Les ball clays sont des argiles plastiques constitues principalement de kaolinite avec unecontributionmineuredillite.Cesargilesdonnentforceetmallabilitdes cramiquesavantlechauffage.Ellesjouentgalementunrledecimententredes compossrfractaireslorsduchauffage.Onlesretrouvegalementdansles cramiques de vaisselle, les poteries, les quipements sanitaires et les briques. -Les bentonites au sens industriel du terme (cf. chapitre 3) se composent dun mlange desmectites(principalementmontmorillonites)etdillite.Cesargilesprsententvu leurcompositionricheensmectitesuneforteractivitphysiqueetchimique.En particulier,leurspropritsdadsorptionlesrendentutilesdanslaralisationde barrireshydrauliquesparexemple,danslestockagededchets(cf.chapitre10)ou mmedanslafabricationdelitirepourchats !Lespropritsdegonflementvarient selonlecationinterfoliaireprsent :lesbentonitessodiquessontgonflantesau contraire des bentonites calcique. Les kaolins : conditions de gisement Desgisementsimportantsdekaolinsselocalisent aux USA (Gorgie-Caroline du Nord Fig. 9.1), dans le centre de lAllemagne et au sud de lAngleterre.Figure9.1 Dpts argileux principaux du SE des USA Manning, 1995 163Gologie des argilesChapitre 9Argile et industrie Lesgisementdekaolinssontsoitdorigineprimaireousecondaire.Danslesgisements primaires, il y a transformation chimique ou kaolinitisation dun minral prcurseur (e.g., feldspath,biotite).Parexemple,lefeldspathragitavecdeleaupourdonnerdela kaolinite et du quartz. Il existe diffrentes conditions de formation : -paraltrationchimiqueimpliquantdefluidesmtoriquesbassetemprature(< 40C) ; -pardiagensesuitelaltrationdesfeldspathsaucoursdelenfouissementavec transformation de la kaolinite en dickite (polytype, cf. chapitre 3) vers 110-130C.-parhydrothermalismesuitelakaolinitisationdeverresvolcaniques.Daprsson domainedestabilit,legroupedeskaolinitesestinstableau-delde300C.Une activithydrothermaledehautetempraturenepeutdoncpastreresponsabledun processus de kaolinitisation (Fig. 9.2, 9.3). anslecasdegisementsecondaire,ledptsdimentaireestalimentparuneroche lclayssontsubdivisesen4groupesselonleurcomposition(Tab.9.4).En Figure 9.2 Domaines de stabilit de la kaolinite et de la dickite Manning, 1995Dkaolinitise.Cedptpeutseformer,parexemple,suitelaltrationdungraniteau niveaudesjointsetdesfractures(Fig.9.4).laceinturedeCaliforniecorrespondun gisementsecondairedekaolins.DanslesuddelAngleterre,legisementestdorigine mixte.Lesbalparticulier,leurrichesseenTiO2constitueuneplus-valueauproduitcarleTidonneune teinte rose lors du chauffage. 164Gologie des argilesChapitre 9Argile et industrie Fig. 9.3 Domaine de stabilit de la kaolinite selon la temprature et la composition du fluide Manning, 1995 Figure 9.4 Exemple de gisement de kaolin Manning, 1995 165Gologie des argilesChapitre 9Argile et industrie Table 9.4 Composition des kaolins Manning, 1995. Les bentonites : conditions de gisement et applications Laterminologieconcernantlesbentonitesestreprisedansletableau9.5.Notonsque des minraux argileux non smectitiques, en particulier des argiles fibreuses, sont galement associes aux groupe des bentonites vu leurs applications similaires.166Gologie des argilesChapitre 9Argile et industrie Table 9.5 Bentonites : Terminologie Manning, 1995 Ilexistedesgisementsdebentonitesdorigineprimaire,formparaltration hydrothermale. Il sagit de gisement de petite taille par rapport aux gisements secondaires mais quipeuventtreconomiquement importants dans certains pays (e.g., Grce, Japon, ItalieTab.9.6).Lesconditionsdeformationsdesbentoniteshydrothermalessont reportesdanslesfigures9.5et9.6.LefluidedoitcontenirduCaouduNa,ildoit prsenter un rapport cation/hydrogne assez lev pour stabiliser la smectite et son contenu ensilicedufluidedoitexcderlasaturationduquartz.Lesrochesmagmatiquesde compositionsintermdiairesoubasiquessontdesparentspotentielscarladstabilisation des plagioclases apportent du Ca ou du Na. Les bentonites sont rarement pures, la prsence deminrauxsiliceuxcommelacristobalite(ayantsolubilitsuprieureauquartz)permet de stabiliser les smectites. 167Gologie des argilesChapitre 9Argile et industrie Table9.6 Gisements de bentonites Manning, 1995 Figure 9.5 Domaine de stabilit des bentonites Manning, 1995 Figure 9.6 Domaine de stabilit des bentonites Manning, 1995 168Gologie des argilesChapitre 9Argile et industrie Lamajoritdesbentonitesontuneoriginesdimentaire,onlestrouveprincipalement dansdessquencesmsozoqueoutertiaire.Parexemple,legisementdebentonitesdu Wyoming(USA)setrouventdansdessriescrtac,issuesdelaltrationdecendres volcaniques rhyolitiques altres lors du transport dans la colonne deau.Letableau9.7montretitreindicatiflesapplicationstrsvariesdesbentonites: adhsifs,fluidesdeforage,litirepourchats,pigeageisotopesradioactifsdansles dcharges, peinture, encre, pesticides, savon, dentifrices 169Gologie des argilesChapitre 9Argile et industrie Lespropritsphysico-chimiquesdesbentonites(e.g.,compression,viscosit)varient selon la nature du cation interfoliaire. Les figures 9.7 9.11 comparent les proprits des bentonitescalciquesousodiquescellesdautresargiles.Lafigure9.7compareles capacitsdecompressiondesbentonitescelledautresargiles.Lesbentonitescalciques sontcellesquiprsententdestauxdecompressionlespluslevs.Encequiconcernela viscosit(Fig.9.8),elleestmaximalepourlesbentonitessodique :ilsuffitdequelques pourcents de bentonites pour obtenir les proprits dune boue de forage par exemple (i.e., permetunemeilleurercuprationdessdimentscarotts).Lafigure9.9prsenteles permabilits de diffrents mlanges quartz-par contre, la bentonite calcique est beaucoup moinsimpermable.Labsorptiondeau(Fig.9.10)estcontinuepourlesbentonites sodiquesalorsquelleestrapideaudpartpourlesbentonitescalciquespuisralentie. Finalement,lesbentonitessodiquesontmoinsrsistantesaucisaillement,lesvarits calciques ont des valeurs proches de celles dautres argiles (kaolinite, illite).Figure 9.7 Proprits de compression des argiles, Grim & Guven, 1978 170Gologie des argilesChapitre 9Argile et industrie Figure 9.8 Viscosit des argiles, Grim & Guven, 1978Figure 9.9 Permabilit de diffrents mlanges argileux - Grim & Guven, 1978 171Gologie des argilesChapitre 9Argile et industrie Figure 9.10 capacit dadsorption deau de diffrentes argiles - Grim & Guven, 1978Figure 9.11 Rsistance au cisaillement de diffrentes argiles - Grim & Guven, 1978 2. Les argiles pour la construction Dans la construction, les argiles sont un constituant essentiel pour la production de briques ettuiles.Lesargilesetsdimentsargileuxutilisablespourlesmanufacturesdebriquessont disperses dans le monde entier . Ils contiennent des argiles comme constituants essentiels et des fragments de roche. Le comportement de la brique dpend des ractions qui se produisent quand le matriel argileux htrogne est chauff. La dcomposition thermique des argiles est critiquelorsduchauffageetlesminrauxsecomportentindividuellement.Letableau9.8 donnelacompositionenlmentsmajeursdargilesdeconstruction :globalementSietAl dominent,avecunpourcentagevariabledeFe,Mg,Na,Ca,K.Labondancedecertains composs peut altrer la qualit du produit fini. Par exemple, la calcite altre la couleur de la brique,desoxydesdeCapeuventshydraterlorsdurefroidissement,legypsepeutse dshydraterpuisshydraternouveauencrantunepelliculelasurfacedelabrique,la pyrite peut soxyder en sulfates ou dioxydes de S qui peuvent mettre des gaz.

172Gologie des argilesChapitre 9Argile et industrie Table 9.8 Composition chimique dargiles utilises pour la construction Manning, 1995 Modifications minralogiques lors du chauffage Lechauffagedtruitpartiellementlesargiles,ellesfondentpartiellementenformantun ciment entre les autres composants et les fragments de roche.La figure 9.12 montre un profil de temprature idal avec un cycle de chauffe de 2 3 jours, une priode dagitation haute tempraturependant10hpuisuncyclederefroidissement.Lesminrauxargileuxragissent rapidement vu leur surface spcifique importante.Figure 9.12 Profils de chauffe pour la production dargiles pour la construction Manning, 1995 173Gologie des argilesChapitre 9Argile et industrie La figure 9.13 illustre les changements qui se produisent lors de la chauffe dun matriel utilispourlafabricationdebriques.Lvolutiondelaperteaufeutraduitlabondancede matriaux volatiles, principalement leau, qui restent perdre lors de la chauffe. On distingue 3 tapes : (1) une perte deau rgulire correspondant la perte des volatiles jusqu 850C ; (2) un plateau o la perte au feu est maintenue 4% en poids ; (3) au-del de 950C, la perte est totale (< 0.5%). Le stade 2 concide avec la destruction des minraux( shrinkage ). Le stade 3 correspond la dcomposition des minraux hydrats et la formation dun mlange anhydre. Figure 9.13 Evolution des proprits des argiles lors du chauffage - Manning, 1995.174Gologie des argilesChapitre 9Argile et industrie Lecomportementdesargilesprisesindividuellementestmalconnu.,ilexistepeude donnessaufpourlakaolinite(Fig.9.14).lakaolinitesubitdiffrentestransformationsen fonction de laugmentation de temprature. Entre 400 et 700C, il y a perte deau et formation de mtakaolinite (phase anhydre Al2Si2O7). Vers 900-1000C, la mtakaolinite se transforme sontourenmullite(Al6Si2O13)etenspinelleAl-Si.Adestempratures>1000Cetpour des dures de chauffe longue, il y a cristallisation de la silice sous forme de cristobalite. Figure 9.14 Evolution de la minralogie des argiles lors du chauffage Manning, 1995. 175Gologie des argilesChapitre 9Argile et industrie 3. Matriaux rfractaires Lesmatriauxrfractaires(Fig.9.15)sontutilissdanslesprocessusdeproductionqui impliquentuncontactavecdessubstancescorrosiveshautetemprature.Lessubstances doiventtreinertesaveclesmatriauxaveclesquelsilssontencontact,ilsdoiventtre rsistants mcaniquement et stables thermiquement (T> 1500C). Figure 9.15 Argiles rfractaires Manning, 1995 Letableau9.9donnedesexemplesdeminrauxrfractairesoumatriauxcomposites comme les fireclay bricks et des matriaux non minraux. La distribution des phases dans un diagramme temprature-compositionpermet de prdire la temprature de fusion et le type deractions.Enplusdesminrauxargileux,dautres minraux siliceux ou alumino-silicats sontutilisscommerfractaires.Lafiguremontrelagammedestabilitdesminraux argileux rfractaires dans un diagramme de phase pour le systme binaire Al2O3-SiO2. dans ce systme,letypederfractairesproduitsestlilacompositiondumatrielutilis(i.e., diffrentsrapportsAl2O3/SiO2) :fireclayspourAl2O3/SiO2 >>1.lacalcinationdargilesrichesenkaolinitevaproduiredelamulliteetunminral siliceux.Pourunpourcentagedalumineimportant(>72%),lecorindondevientstableavec de la mullite. Le tableau 9.9 donne titre indicatif la composition en lments majeurs de quelques argiles rfractaires. La composition minralogique est trs variable, comprenant principalement de la kaolinite, de lillite et du quartz. On distingue diffrentes catgories : -lesfireclayscomposesdekaoliniteetdilliteavec25%daluminesecaractrisent par un point de fusion bas, ce qui limite leur utilisation ; -lesfintclayssontconstituesdunmlangedekaolinite,dilliteetdequartz,ilsagit dune varit dargile non plastique, de forte densit et de duret leve.-les chamottes correspondent de la kaolinite calcine. Table 9.9 Composition chimique des argiles rfractaires Manning, 1995 177Gologie des argilesChapitre 8Reconstitutions paloenvironnementales Chapitre 8 Reconstructions paloclimatiques Lesinterprtationspaloenvironnementalesdesassemblagesargileuxsdimentairessont basessurladterminationdeloriginedesminrauxargileuxprsents.Cetteapproche impliqueunecomprhensiondesprocessusdeformationdesminrauxargileux(origine dtritiqueouauthigense).Lesargilesauthignesserontdesmarqueursdesconditions gochimiques environnementales. Les argiles dtritiques seront des marqueurs des processus detransport,dedispersionetdeprovenance.Lesdifficultsrsidentdanslefaitquedes origines diffrentes sont envisageables pour une mme argile, que les argiles dorigines et/ou desourcesdiffrentessemlangentaucoursdesprocessussdimentaires.Parexemple,les figures8.1aet8.1billustrentlesmultiplesinterprtationspaloenvironnementalesquelon peut envisager avec le groupe des smectites. Figure 8.1a Les smectites indicatrices des paloenvironnements Chamley, 1989158Gologie des argilesChapitre 8Reconstitutions paloenvironnementales Figure 8.1b Les smectites indicatrices des paloenvironnements Thorez, 2000 Lapprochepaloenvironnementaleconsistedabordidentifierlesminrauxargileux prsentsdanslessdimentsrcents.Lacompositiondelassemblageminralogiqueest comparelasignatureminralogiquedesrgionsadjacentes.Laslectiondesrgions sourcesestdtermineparlaconfigurationlocaledesagentsdetransports(i.e.,courants atmosphriquesoumarins).Lafigure8.2rsumelessourcesetlesvecteursprincipaux permettant dexpliquer les assemblages minralogiques des sdiments de surface dans la Mer dArabie.Aprscettetapeprliminaireessentielle,ilestpossibledesuivrelvolutiondes assemblagesminralogiquesdanslessriessdimentairesetdelesinterprterentermede modificationspaloclimatiques.Cetteapprochereposesurlelienexistantentrelergime climatique et le degr daltration : les minraux secondaires forms dans les sols refltent les conditionsdhydrolysedanslebassinversant.Cependantdenombreuxautresfacteurs 159Gologie des argilesChapitre 8Reconstitutions paloenvironnementales contrlentlesconditionsdaltrationetpeuventoblitrerpartiellement,voiretotalement,le signal climatique. Figure 8.3 Origines des minraux argileux accumuls dans les sdiments rcents de la Mer dArabie (donnes de Kolla et al., 1981, illustration Chamley, 1989) Velde, 1995 Lafigure8.3illustreschmatiquementlesprincipauxprocessusetfacteursdontilfaut tenircomptelorsquonsouhaiteextraireuneinformationclimatiquedunassemblage argileux.Desexemplesdutilisationdesargilesdanslecadredereconstitutions paloclimatiques seront prsentes au cours. CLAY MINERALSCLAYS(fromVelde, 1995)CLAY MINERALSCLAYS(fromVelde, 1995)Figure 8.3 Interprtations paloenvironnementales bases sur ltude des minraux argileux(modifi de Velde, 1995)160Gologie des argilesChapitre 7Diagense Chapitre 7 Diagense Introduction La diagense inclut toutes les modifications physiques et chimiques qui se produisent dans unsdimentaprssondptmaisavantlemtamorphisme(Fig.7.1).lalimitediagense-mtamorphismeestarbitraire.Onpeutlafixervers300C,i.e.,latempraturelaquelle touteslesargilessonttransformesenilliteouchlorite.Mispartlacompaction(complte vers 3000m denfouissement), le changement majeur li la diagense consiste en la raction progressivedessmectitesenillitesviadesminrauxintermdiairesinterstratifis.Lafigure 7.1.montreladistributionenespceetabondancedesminrauxargileuxselonlgedes sdiments :smectite,kaolinite,interstratifisdiminuentaveclgetandisquelesilliteset chloritesaugmentent.Lasmectiteestpresquetoujoursabsentedansdessdimentsdge palozoque,saufconditionsenvironnementalesparticulires.Cetteobservationsuggreque les smectites et les kaolinites ont t transformes en illite ou chlorite suite lenfouissement.Figure 7.1 Modifications minralogiques en fonction de lge des roches Eslinger & Peaver, 1988Diagense 148Gologie des argilesChapitre 7Diagense Ractions de conversion des smectites en illites La raction smectite vers illite implique un pigeage dAl et K tout en prservant plus ou moins la structure 2/1 (cf. Chapitre 3). La raction peut se faire par transformation, en tapes successives,avecproductiondintermdiairesinterstratifisouparnoformation,impliquant unephasededissolutionetlaprcipitationdillitesavecdesinterfacesgonflantsdetype smectitique.Onpeutcrire3ractionsdebasediffrentespourexpliquerlatransformation des smectites en illites (Fig. 7.2).Figure 7.2 Mcanismes de formation des illites partir de smectites Eslinger & Peaver, 1988 (1)LasmectiteabsorbedelAldanssastructurettradrique.Laugmentationdela chargeestcompenseparlintroductiondeKdanslinterfoliaire.Lastructure originale de la smectite est conserve. Il sagit dun mcanisme de transformation. K et Al proviennent de la dissolution de feldspaths. La silice, le magnsium et le fer qui sont librs se combinent pour former des chlorites (Fig. 7.3).(2)LAl se concentre dans les ttradres dune illite forme suite la dissolution et le dpartdelasilicedelasmectiteinitiale.Lasmectiteestcannibalisepour constituerdescouchesdillites.Ilsagitdunmcanismedetransformationmais sans prservation de la structure initiale.(3)Suite la dissolution de la smectite, il y a prcipitation dillite ou dinterstratifis illite-smectite.Unenoformationsansprcurseursmectitiqueestgalement possible.149Gologie des argilesChapitre 7Diagense Figure 7.3 Ractions diagntiques dans les shales Eslinger & Peaver, 1988 Modles dillitisation Il existe diffrents modles pour expliquer lillitisation par enfouissement (Fig. 7.4, 7.5 et 7.6).Certainscombinentdiffrentesractionsdetransformationetdedissolution-prcipitation. Modle de Nadeau et al. (1984) Daprs des observations au microscope lectronique transmission (TEM), Nadeau et al. ontproposquelemcanismedillitisationseproduisesansminrauxinterstratifis intermdiaires.LecomportementauxrayonsXtypiquedesminrauxinterstratifisseraiten fait li la diffraction interparticulaire (Thorie des particules fondamentales cf. chapitre 3). McHardy et al. (1982) a observ les minraux responsables du comportement dinterstratifis auxrayonsX.Ilsagitdetrspetitesparticules(denviron3mmdpaisseur)dillite.Les surfacesdecespetitscristauxdillitespourraientadsorberdeleauetsecomportercomme desfeuilletssmectitiques.Lespetitesillitesrsultentdeladissolutiondesmectite,suiviede leurrecristallisation.Lesinterstratifisillite-smectitesontconstitusde13particules lmentairesdilliteetdesmectite(Fig.7.6).Quandtouteslessmectitessontdissoutes,la populationrsiduelleconsisteen25particuleslmentairesdillite.Avecladiagense, l paisseurdesparticulesfondamentalesaugmente.Lorsquilyaaumoins5particules lmentaires, largile est interprte aux RX comme une illite. 150Gologie des argilesChapitre 7Diagense Figure 7.4 Modle de conversion des smectites en illites: diffraction des rayons - Chamley, 1989 Selon Nadeau et al., la conversion de la smectite en illite est un mcanisme de recristallisation suiteunedissolutiondelasmectiteetlanoformationdilliteauseindunepopulationde trs petits cristaux sans stades intermdiaires. Ce modle a t confort par les observations au microscopelectroniquetransmissionhautersolution(HRTEM)parlegroupedePeacor (Fig. 7.5).Figure 7.5 Modle de conversion des smectites en illites: microscopie lectronique transmission - Chamley, 1989 151Gologie des argilesChapitre 7Diagense (a)Lessmectitesdanslesillite-smectite(I-S)ontunetextureenvagueavecde nombreusesdislocations.Lpaisseurvarieentre10et13A.LesillitesdanslesI-S necomportentparcontrepasdedfaut.Lessmectitesetlesillitesco-existentsous formededomainesspars,sansinterventiondI-S.Lessmectitessont progressivement remplaces par des illites.(b)Selon la profondeur denfouissement, lpaisseur des paquets illitiques augmente. A 2450m, les argiles sont constitues de 2 5 couches dillites, ce qui donne aux RX des spectres caractristiques dinterstratifis irrguliers I-S.(c)Vers 5500m, il y a au moins 10 particules fondamentales empiles avec minimum 5 couchesdilliteparparticule.Parconsquent,lecomportementauxrayonsX suggre la prsence dinterstratifis I-S rguliers avec au moins 80% dillite.Figure 7.6 Modle de conversion des smectites en illites: Modle de MacEwan Moore & Reynolds, 1989 Modle de Inoue LemodledveloppparInoueestintermdiaireentreunetransformationetun mcanismededissolution-prcipitation(Fig.7.7). Lobservation au microscope lectronique balayage(SEM)desdimentscrtacettertiairediagntissmontrelaprsencedillite-smectiterguliers.CesI-Ssedveloppentsurunsubstratayantlamorphologiedune smectite. Ce mcanisme dillitisation implique la combinaison dun hritage de smectite et de dissolution-recristallisation avec peu de modifications chimiques. Ce processus ressemble la croissance de smectite latte la priphrie de smectite floconneuse, processus frquemment observaucoursdeladiagenseprcoce.Cependantilimpliqueunchangement minralogique.SelonPollastro(1985),unepartiedesI-Sseraitdtruitehautetemprature parcannabilisationslectivedesfeuilletssmectitique.Cettedestructionstructurellepartielle 152Gologie des argilesChapitre 7Diagense apporteraitlessentiel(voirlatotalit)deslmentschimiquesncessaireslaprcipitation dI-Srichesenillites.Parconsquent,lenombredefeuilletsargileuxdiminueraitavecle tempsetlaprofondeursuiteladestructionprogressivedesfeuilletssmectitiquesetle nourrissage des feuillets illitiques. Figure 7.7 Modle de conversion des smectites en illites: Modle de Inoue Chamley, 1989 Contrle de la temprature De nombreuses squences diagntiques ont t tudies dans le monde. Une des tudes la mieux documente concerne le Golfe du Mexique (Hower, 1981 Fig. 7.8).Les contrles de laractionsmectiteversillitesontessentiellementlatemprature(Fig.7.8),letemps,la nature de la roche et des fluides. La pression a peu deffet. La figure 7.8 prsente lvolution dupourcentagedillitedansuninterstratifiillite-smectiteselonlaprofondeuroula temprature pour des sdiments du Golfe du Mexique. La meilleure tendance est observe en fonctiondelatemprature.Lafigure7.9prsentegalementlvolutiondupourcentage dillitedansdesI-Spourdessdimentplio-plistocnesdeCalifornie.Gnralementle pourcentagedilliteaugmentedabordprogressivementaveclaprofondeur,puisassez brutalementvers3000mdenfouissement(de4070-80%dillite).Acetteprofondeur, linterstratifi devient rgulier. Parfois la transition est moins abrupte et la structure rgulire peuttreacquiseplusprofondment(vers 5000m). Le pourcentage dillite peut augmenter 153Gologie des argilesChapitre 7Diagense 90%etdavantagevers6500-7000m.Uneillitepurepeutnepasapparatredanscertaines rgions,mmedesprofondeursdenfouissementde8000m(e.g.,GolfeduMexique).Par contre,dansdesrochesanciennesoudansdesrgionscaractrisesparungradient gothermique lev, lillite peut tre prsente des tempratures > 200C. Figure 7.8 Evolution minralogique et contrle thermique: Exemple du Golfe du Mexique Eslinger & Peaver, 1988 De nombreuses tudes montrent lvolution des assemblages argileux suite la diagense denfouissement. Toutes les tudes montrent une tendance la simplification des assemblages argileux, souvent associe une recristallisation des argiles. La figure 7.10 illustre lvolution dela composition des assemblages argileux dans une srie Jurassique de 4000m dpaisseur (SE de la France). Les rsultats montrent la disparition de la kaolinite vers 3000m puis de la smectitevers3500m.Paralllement,lilliteestdemieuxenmieuxcristalliseavecla profondeur croissante.154Gologie des argilesChapitre 7Diagense Figure 7.9 Evolution minralogique et contrle thermique (Californie, Golfe du Mexique) Eslinger & Peaver, 1988 Figure 7.10 Evolution minralogique selon la profondeur denfouissement (Montagne de Lure, France) Chamley, 1989 Modifications des proprits physiques Dans les sdiments marins rcents, les particules argileuses sagencent selon une structure irrgulirede typechteaudecartes. Avec lenfouissement, les particules sorganisent selon 155Gologie des argilesChapitre 7Diagense une structure plus rgulire.La figure 7.11 illustre lvolution de lorganisation des particules avec lenfouissement. Figure 7.11 Modle de fabriques minrales en fonction de la profondeur denfouissement(daprs Bennett et al., 1981) Weaver, 1989 Onconstateunediminutionprogressivedelaporositaveclenfouissement.Descourbes dvolution de la porosit selon la profondeur denfouissement sont reportes la figure 7.12.Figure 7.12 Evolution de la porosit dans des shales et des argiles (donnes de Hinch, 1978) Weaver, 1989 156Gologie des argilesChapitre 7Diagense Desrsultatsexprimentauxsontcomparsdessriesnaturelles.Daprslesrsultats exprimentaux,ladiminutiondelaporositestfonctionprincipalementdelatailledes particules(kaolinite>illite>smectite).Engnral,lesexpriencessurdesargilespures donnentdesporositsuprieursauxvaleursnaturelles.Laporositdesriesanciennes palozoquesestinfrieurescelledesdimentsplusjeunes(crtac).Celadpenddela compositionminraledesshalesetdelatailledesgrains :lesshalesnaturelsontplusde quartzpar rapportaux argilesexprimentales, les shales palozoques ont plus dillites et de smectites que les shales crtac. 157Gologie des argilesChapitre 6Environnements sdimentaires Chapitre 6 Transport des argiles dans les environnements continentaux et marins Introduction Vu leur taille, les argiles vont rester longtemps en suspension et vont donc tre transportes en suspension prfrentiellement par rapport aux autres minraux des fractions plus grossires (Fig.6.1).Onconstateunenrichissementprogressifdesriviresverslesocansouleslacs. Lafigure6.2.illustrelesmodesdetransportdesmatriauxargileuxlocan.Nousallons tudier les assemblages argileux des minraux typiques des apports oliens, des particules en suspension dans les rivires, estuaires, lacs puis des bassins ocaniques.argile fraction Figure 6.1 Transport des argiles et accumulation dans les lacs et les ocans (Velde, 1995). A.Domaine continental 6.1. Apports oliens Lespoussiresoliennescollectesproximitdesdsertscontiennentgnralement duquartzabondantenassociationavecdesminrauxargileuxounon.Lespectre minralogique est large et reflte la compositions des rgions sources (Tab. 6.1.). 124Gologie des argilesChapitre 6Environnements sdimentaires Figure 6.2 Modes de transport des argiles dans les ocans (Velde, 1995). Table 6.1 Assemblages minralogiques des arosols (Weaver, 1989). 125Gologie des argilesChapitre 6Environnements sdimentaires Lafigure6.3prsentelesrsultatsdunetudedelacompositionminralogiquedune trentaine dchantillons de poussirescollectes oliennes dans le Sahara (mai 1974, 2000m daltitude,distancede500km).Paquetetal.(1977)observentlabondancedesminraux argileux(>25%)avecdesespcestrsvaries(illite,chlorite,interstratifisI-SetC-S, smectite,kaolinite,palygorskite).Lesminrauxsedistribuenten4groupesrefltant limportancedessources localesetlrosion de sols et sdiments non indurs. Limportance dessourceslocalesdiminueavecladistanceetaveclestemptesquihomognisentles produits issus des diffrentes sources.Apports oliens Figure 6.3- Assemblages minralogiques des poussires sahariennes (Chamley, 1989). Lasignaturesdespoussiresoliennesrcoltesau-dessusdediffrentsbassins ocaniques est prsente dans le tabeau 6.2. Pour lOcan Atlantique, de nombreuses donnes sontdisponibles.Lilliteetlakaolinitesontles2minrauxargileuxlesplusabondants. Globalement,ilexistepeudevariationsquantitativesentrelesdonnessuite 126Gologie des argilesChapitre 6Environnements sdimentaires lhomognisation lorsque la distance de transport augmente. En ce qui concerne le Pacifique, lesdonnessontpeuabondantes.Lafaibleconcentrationdespoussiresdanschaque chantillon rcolt rend contestable les estimations. Cependant lillite reste le minral argileux leplusimportant.Desvariationsminralogiquesassezimportantesexistentenfonctiondes latitudes.Cettezonationrefltelescompositionscontrastesdesrgionssourcesetla distribution des courants atmosphriques. Table 6.2 - Assemblages minralogiques des arosols ocaniques - Chamley, 1989(italiques: minraux argileux exprims en % relatifs, total des argiles normalis 100%; quartz exprim en % pondral de lchantillon total)Letransportdesparticulesvarieselonlavitessedelagentdetransportmaisaussidu diamtredesparticules(Fig.6.4).Pourdesparticules 5 ans) et nest pas confirm par des diffrences entre les sdiments rcents et plus anciens. De plus, ce processus conduirait la transformation desvermiculitesetchloritesenillites,dessmectitesenilliteetchloritesalorsquelon observepluttuneaugmentationdessmectitesetunediminutiondesillites. Laugmentationdelasmectiteverslelargepourraitsexpliquerparlasdimentation diffrentielle. Figure 6.18 Etude de la sgrgation des argiles en milieu marin au large de lAmazone - Weaver, 1989 141Gologie des argilesChapitre 6Environnements sdimentaires Cependantilliteetkaolinitefloculentrapidementdsquilseproduitunchangementde salinitde2/1000,ellessdimententdoncrapidementdansdeseauxlgrementsales.La smectite sdimente plus lentement mais elle aura flocul quelques dizaines de kilomtres de lembouchure o la salinit approchela valeur de leau de mer. Gibbs a calcul lassemblage thoriquedessdimentsenappliquantlesvitessesdesdimentationdterminespar WhitehousepourdiffrentessalinitsdansledeltadelAmazone.sesrsultatsindiquentun dpt rapide des illites et kaolinites proximit de lembouchure et un assemblage quasi pur en smectite en aval. Ce schma est trs diffrent des observations. Mme si il existe un biais lilextrapolationdedonnesexprimentalesdesconditionsnaturellespluscomplexes (turbulence,mlangeminralogique..),ladiffrenceentrelemodlethoriqueetles observationsimpliquequelafloculationnepeutelle-seuleexpliquerlasgrgation minralogique observe. Par consquent, Gibbs envisage une influence de la sgrgation des particules du leur taille : les particules les plus fines (i.e., smectite 0.1 0.9 microns, 0.4 de moyennedanslAmazone)seraienttransportesplusloinparrapportauxparticulesplus grossires(illite:0.4-80microns,moyenne24microns;kaolinite :0.4-10microns, moyenne 1-2 microns). Gibbs a test cette hypothse en mesurant la surface sous la courbe de distribution pour chaque espce argileuse et en calculant un assemblage minralogique moyen pourunegammegranulomtrique(courbeentraitssurFig.6.18b).Ilexisteunebonne correspondanceentrelacompositionactuelledessdimentsetlacompositionprditeparle modle.Deplus,Gibbsagalementralisdesessaisdesgrgationdesuspensionde lAmazone mise dcanter dans un bcher : ces simulations confirment les observations. En conclusion,lasgrgationphysiquesemblelemcanismelemieuxadaptpourexpliquerla diffrenciation minralogique dans lAtlantique Ouest. Ceci ne signifie pas que dans tous les cas cest le mcanisme dominant. Il faudrait rpter ltude de Gibbs pour dautres rgions du globeavecdautresassemblagesminralogiques,desconditionshydro-dynamiques diffrentesEnfin,desobservationsaumicroscopelectroniquebalayageontmisen videncelexistencedeparticulesdekaolinitebeaucouppluspetitesquelessmectites.Ceci impliquequedautrespropritsquelatailleinterviennent(e.g.,forme,charge lectrostatique). Distribution des argiles en milieu ocanique Lesdonnesconcernantladistributiondesminrauxargileuxdanslesocansontt acquises par diffrents auteurs (Biscaye, 1965 ; Griffin et al., 1968, Rateev et al., 1968). Ces donnesonttcompilesetsynthtisesparWindow(1976)souslaformedecartede 142Gologie des argilesChapitre 6Environnements sdimentaires distribution(Fig.6.19).Lesdonnessontmoyennespourlessdimentsdesurfacedes grands bassins ocaniques (Tab. 6.4). Elles constituent une rfrence large chelle mme si il existe de nombreuses imprcisions locales. Table 6.4 Composition minralogique moyenne des sdiments de surface dansdiffrents bassins ocaniques - Chamley, 1989 Parmilesminrauxargileux,lesillitesetlessmectitessontlesplusrpandues,elles peuventreprsenterjusqu5070%delafractionargileuse.Chloriteetkaolinitesont moinsabondantes,ellesdpassentexceptionnellement50%etsontfrquemment infrieures 10.-Lakaoliniteestunminralabondantdanslessolsdesrgionsintertropicales.La distributionocaniquedelakaolinitereflteuncontrleclimatiquedominant. Labondancedelakaoliniteaugmente vers lquateur dans tous les bassins ocaniqueset montre un contrle par lintensit de lhydrolyse.-Lachloritemontreuneaugmentationversleshauteslatitudes,elleestprincipalement issuedelrosionphysiquedesrochesmagmatiquesetmtamorphiquesenconditions daltration chimique limite. La chlorite varie souvent en antagonisme avec la kaolinite.- Labondance de lillite augmente vers les hautes latitudes paralllement la chlorite. Sa distributionreflteleralentissementdelhydrolyseetlaugmentationdelaltration physique.-Ladistributiondesminrauxfibreuxrefltesouventlatrajectoiresdescourants atmosphriques (e.g., Mer dArabie).-Ladistributiondelasmectiteestplusconfuse,lieleurdoubleorigine(altration, authigense).Cecidmontrequelecontrleclimatiquepeuttreaccessoireparrapport dautres facteurs (e.g., apports volcaniques).143Gologie des argilesChapitre 6Environnements sdimentaires Illitesmectitekaolinitechlorite Figure6.19Distributiondesminrauxargileuxdanslessdimentsdesurfacedesdiffrents bassins ocaniques daprs Windom, 1976 (in Velde, 1995). 144Gologie des argilesChapitre 6Environnements sdimentaires Globalement,lesapportsdtritiquesdominentlesapportsminralogiquesla sdimentationocanique.Ladistributiondesargilesmontreunezonationlatitudinale,cette distributionzonalereflteladistributiondeszonesdaltrationchimiquesurlescontinents. Lesargilespeuventtredivisesen2groupes :(1)lesminrauxdesclimatsfroidset temprs,i.e.,illiteetchlorite,quidiminuentverslquateur;(2)lesminrauxdesclimats tropicaux et quatoriaux, i.e., kaolinite, une partie des smectites. Par consquent les minraux argileux des sdiments marins refltent les conditions dhydrolyse dans le bassin versant.Le tableau 6.5 prsente une compilation des donnes sur la distribution minralogique et granulomtriquedumatrielsdimentaireapportlocan.Lesrsultatsmontrela dominancedesargiles(67%)surlessilts(26%)etlessables(7%).Enconsidrantles surfacesdiffrentescorrespondantauxzonesclimatiques,lesdiffrencesdedrainageetla compositionminralogique,onpeutdterminerlacontributiondechaquezoneclimatique danslapportlocanpourdiffrentesfractionsgranulomtriques.Lesfractionssilto-sableusessontmajoritairementissuesdesrgionsquatorialeshumides :3.8millionsde tonnes(soit57%delamassedlivrelocan).Lafractionargileusereprsente15.2 millions de tonnes (soit > 90 %). Ces donnes montrent que la quantit et la granulomtrie du matrielapportlocanchangentdunezoneclimatiqueuneautremaisaussiqueles assemblages minralogiques peuvent changer. 145Gologie des argilesChapitre 6Environnements sdimentaires Table 6.5a matriel sdimentaire apport locan : minralogie, flux annuel Lisitzin, 1996. Table 6.5b - Matriel sdimentaire apport locan: granulomtrie - Lisitzin, 1996 146Gologie des argilesChapitre 6Environnements sdimentaires Cependant des tudes rcentes montrent de nombreuses exceptions, ce qui montre que le climatnestpasleseulfacteur.Laptrographiedelargionsourcedevientleparamtre essentiellorsquelaltrationchimiqueestfaible.Ceciexpliquepourquoilakaolinite,les smectites et autres minraux de basse latitude se retrouvent dans les bassins arctiques et pri-antarctiques. De plus les courants ocaniques interviennent dans la distribution des minraux argileuxdessdimentsocaniquesetaltrentlazonationclimatiqueidale.Desapports advectifs longues distances via les vents ou les courants marins peuvent galement perturber leschmaidal.Lesapportsterrignespeuventtrecompltsouremplacspardes formationsauthignesdansdesenvironnementsmarqusparuneactivithydrothermaleet /ou volcanique ainsi que dans des domaines de faibles apports continentaux.Enconclusion,destudescomplmentairessontsouventncessairespourinterprterles assemblagesargileuxcomplexesdessdimentsmarins.Parexemple,lessignatures isotopiques des argiles peuvent permettre didentifier les rgions sources (e.g., Fig. 6.20). Figure 6.20 - Composition isotopique des argiles dans les sdiments rcents de lAtlantique Nord Clauer & Chaudhuri, 1995 147Gologie des argilesChapitre 5 (suite)Auhthigense Chapitre 5B. Authigense Introduction Lauthigense correspond la formation in situ dargile quelque soit lenvironnement (dans un sol, un sdiment au cours de la diagense, du mtamorphisme ou de lhydrothermalisme). Danslesenvironnementssdimentaires,lesargilesauthignesnesontpasabondantes.Cependantellesonttbeaucouptudiescarellesapportentdesinformationssurles processusgochimiques.Parmilesargilesauthignes,ilexistedenombreusessmectites (nontronite,stevensite),desmicas(glauconite,cladonite)desminrauxassocisaugroupe deschloritesetdesminrauxfibreux(spiolite,palygorskite).Trsschmatiquementles environnements continentaux se caractrisentpar des argiles Mg, les environnements marins peuprofondsdesargilesFeetlesenvironnementsmarinsprofondsdesargilesFe-Mg.Il existeuncontrlevidentdelagochimieduFeetduMgdanslaformationdesargiles authignes (Fig. 5.27). Origine: Noformation Figure 5.27 Minraux argileux Fe-Mg forms par authigense : Environnements (Velde, 1995) . 111Gologie des argilesChapitre 5 (suite)Auhthigense Glauconites Les glauconites sont des pellets verdtres forms proximitde linterface eau-sdiment, correspondantauremplacementdagrgatsbiologiques(pelotesfcales)ousdimentaires (grains carbonats). Les glauconites se distribuent essentiellement au niveau de la plateforme continentaleentre100et300m.LtudedessignaturesisotopiquesenSr,Ndet18Oa permisdecomprendrelesmcanismesdeformationdesglauconites(Fig.5.28ab).Dansle GolfedeGuine,lacompositionisotopiqueenSrdesglauconitesestprochedecellesdes argilesdtritiquesassociesauxglauconitessuggrantunliengntique.Clauerproposeun processusdeglauconitisationen2tapes :(1)unmcanismededissolution-prcipitation dargilesdtritiquesdansdespelletsdansdesenvironnementsconfins,isolsdeleaude mer ; (2) une volution dans un systme ouvert avec influence de la signature de leau de mer, parexempleunecroissancecristallineparprcipitationdirectepartirdeleaudemer.Les signaturesisotopiquesduNdconfirmelemodlebassurleSrmaissuggrelintervention duntroisimecomposant,parexemplelesoxy-hydroxydesdeFeassocisauxargiles(i.e., phaseminralericheenREEmaispauvreenSr).LeFedesglauconitespourraitdonc provenir de ces phases associes aux argiles. Figure5.28aInterprtationdeloriginedesglauconitesbasesurlescompositionsisotopiquesen oxygne et en strontium (Clauer & Chaudhuri, 1995).112Gologie des argilesChapitre 5 (suite)Auhthigense Figure 5.28b Interprtation de lorigine des glauconites base sur les compositionsisotopiques en strontium et en nodyme (Clauer & Chaudhuri, 1995). Altration de la crote ocanique Lematrielvolcaniquegnrauniveaudes rides mdio-ocaniques et des volcanssous-marinsragitavecleaudemerpourproduiredesminrauxsecondairesargileux, essentiellementdessmectites,cladonitesetdeszolites.Ilya3modlesdeformation basse temprature : (1)Altration lente de roches volcaniques refroidies ;(2) Raction basse temprature de silice biogne avec les oxy-hydroxydes de Fe librs du basalte chaud lorsquil rencontre leau de mer ;(3)Prcipitationetlaltrationdefluideshydrothermaux(Fig.5.29ab).Durantle refroidissement du magma, la formation dargile partir de 500C est dabord trs rapide entre400et200Cpuisralentie.Lelongdesridesmdio-ocaniques,lesfluides hydrothermauxaltrentlebasalteenzolitestempraturede200-300C.Selondes donnesexprimentales,laltrationhydrothermaledesbasaltesproduituniquementdes smectites entre 200-400C. Par contre, 500C, on observe un mlange de smectites et de talc. 113Gologie des argilesChapitre 5 (suite)Auhthigense Figure 5.29a Minraux produits par altration de la crote ocanique (Chamley, 1989). Figure 5.29b Mcanismes daltration de la crote ocanique (Chamley, 1989). 114Gologie des argilesChapitre 5 (suite)Auhthigense La figure 5.29b montre la squence de formation des argiles lors dun refroidissement de coules basaltiques et le rchauffement du basalte par les fluides hydrothermaux. Des argiles smectitiquestrioctadriquesFe-Mgseformentbassetempraturedansdesconditions alcalines.Enconditionsoxydantes,ilyaformationdecladonites,desmectites dioctadriquesFe(montmorillonite,nontronite)etdhydroxydesdeFevers20C.Aucours durchauffement,lapntrationdeleaudemersousconditionsoxydantesconduitla formationdesmectitesdioctadriquesetdemicasaucontactdubasalte.Sileaudemerest enrichie en Mg (libr du basalte haute temprature), il peut y avoir formation de chlorite ou de minraux interstratifis chlorite-smectite (corrensites). Leau de mer ou leau juvnile (i.e., issue du basalte) produisent des argiles comme les saponites, spiolites et palygorskite. A basse temprature, laltration de la crote ocanique est due aux fluides hydrothermaux aucontactdesbasaltes.Seulslesverresvolcaniques,lesolivinesetlesplagioclasessont transforms.Parcontrehautetempraturelaltrationdesrochesvolcaniquesades caractristiquesprochesdumtamorphisme.Ilyamodificationdetouslsminraux.Avec laccroissementdelatemprature,lefacies zolites(formationdesaponite,talc,smectite-vermiculite-chlorite, zolites Na-Ca) est progressivement remplac par le facies schistes verts (formation de chlorite) puis le facies amphibolite (formation de hornblende et de plagioclase). Le tableau 5.14 prsente des analyses chimiques dargiles authignes marines. On constate une large gamme de compositions entre un ple Fe et un ple Al.Il na pas t dmontr si lesmontmorillonitesFersultentdumlangedenontronitesauthignes(pluttFe)etde nontronitesdtritiques(pluttAl)ousilesdbrisvolcaniquesconstituentunesourcedAl pour former une phase pure riche en Al (nontronite fig. 5.30). 115Gologie des argilesChapitre 5 (suite)Auhthigense Table 5.14 Compositions des argiles authignes marines : exemples des nontronites (Weaver, 1989).116Gologie des argilesChapitre 5 (suite)Auhthigense Figure 5.30 Evolution des compositions des argiles authignes (Chamley, 1989).

Altration hydrothermale Lhydrothermalismersultedelinteractiondeleaumigrantdanslacroteocanique. Leauserefroiditprogressivementetlessivelebasalte(Fig.5.31).Ilseproduitdesre-prcipitations.LesdptshydrothermauxcomprennentprincipalementdesoxydesFe-Mnet peudephasesargileuses(lilexcsdeFeetdficitdeSiouAl ?).Lesargilessont essentiellementdessmectitesdioctadriques(nontronites),aveclocalementquelques smectitestrioctadriques(saponites).Despalygorskitesetdesspiolitespeuventtreaussi prsentes. , rsultant de transformation de sdiments riches en smectites situs proximit des basaltes et soumis la circulation hydrothermale. Dans les sdiments plagiques intruds ou recouvertsdecoulesbasaltiques,ilseproduitundveloppementdargilesparticulires (interstratifis illite-chlorite ou chlorite) suite au mtamorphisme de contact.117Gologie des argilesChapitre 5 (suite)Auhthigense Figure 5.31a Minraux argileux produits par hydrothermalisme : Synthse (Chamley, 1989). Figure5.31bMinrauxproduitsparhydrothermalisme :ExempledelaRideEstPacifique20N (Chamley, 1989). 118Gologie des argilesChapitre 5 (suite)Auhthigense DesanalysesisotopiquesenPbonttralisessurlafractionargileusedesdiments marinssus-jacentsauxbasaltesdelacrote(legDSDP54,proximitdeslesGalapagos). Lacompositionisotopiquedesargilesestprochedecellesdesbasalte(Fig.5.32).Ilexiste cependantunlgerfractionnementisotopique :lerapport207Pb/204Pbdesargilesest lgrement suprieur celui des basaltes des Galapagos . Ceci suggre une contamination par dumatrieldoriginecontinentale.Lobjectifdecegenredtudestaitdetesterles potentialits du systme isotopique U-Th-Pb pour dater les remplissages argileux des basaltes altrs des rides mdio-ocaniques. Lenrichissement en U des produits secondaires forms bassetempraturerendaitpossiblecegenredanalyses.Lasimilitudedessignatures isotopiques en Pb des basaltes et des argiles secondaires limite fortement cette approche. Figure 5.32 Signatures isotopiques du plomb dargiles formes par hydrothermalisme:Exemple des Galapagos (Clauer & Chaudhuri, 1995).119Gologie des argilesChapitre 5 (suite)Auhthigense Altration de basaltes basse temprature Ilexistedenombreuxexemplesdaltrationdesbasaltesocaniquessuiteauxforages profondsDSDPetODP.Lasquencedaltrationvarieselonlaccroissementde temprature (Fig. 5.33): les nontronites voluent en beidellites et cladonites puis en saponites (8-280C) ou en serpentines (T > 300C).Figure 5.33 Squence daltration des basaltes ocaniques selon la temprature (Velde, 1992). Schmatiquement,laltrationdebasaltesengendrentdesargilesrichesenFebasse tempratureetuneaugmentationdelabondancedesalcalinsenfonctionde laugmentationdelatemprature.Parexemple,certainsbasaltesaltrsmontrentla formation de cladonites ou de glauconites en plus des saponites et nontronites (Fig. 5.34). 120Figure 5.34 Exemple de spectre de cladonites / glauconites dorigine hydrothermale (Weaver, 1989).Gologie des argilesChapitre 5 (suite)Auhthigense Les donnes de diffraction des rayons X montrentune argile 10A qui comporte seulement quelquesfeuilletsgonflants.LespectreXRDressembleuneglauconitebiencristallise. Daprs les compositions en 18O, ces argiles seraient forme basse temprature.Laltrationdesbasaltesdonneunassemblageargileuxcomplexeetlesinterprtations restentencorespculatives.Lesproduitsdaltrationseconcentrentdansdesfissuresde1 10 mm de large se dveloppant dans la srie basaltique (Fig . 5.35).Basalte fraisZone altre Figure 5.35 Exemple daltration de basaltes en coussins : Ride des Bermudes, site DSDP 417A (Weaver, 1989). Une zonation dans laltration se dveloppe depuis le basalte intact vers la priphrie (Fig. 5.36).LeprincipalminralsecondaireestunargilesmectitiqueAl(beidellite, montmorrillonite) qui remplace gnralement le plagioclase.121Gologie des argilesChapitre 5 (suite)Auhthigense Figure5.36Diagrammesdediffractiondemontmorillonitesetinterstratifisprlevsdiffrents endroits des basaltes en coussins, site DSDP 417A, Ride des Bermudes (Weaver, 1989). Le stade de formation de cette argile est dbattu : soit forme haute temprature ou suite unelongueexpositionparrapportleaudemer(i.e.,processusdepalagonitisation).La smectiteseformedanslespremiersstadespuisvolueraitencladoniteouinterstratifis illite-smectite. Les autres minraux secondaires se forment partir de Fe et Al du basalte et de Mg et K de leau de mer. SelonHonorez(1987),leprocessusdhydratationduverrevolcaniqueou palagonitisation se produirait en 3 tapes (Fig . 5.37) :(1)Lors du stade initial, le basalte intact est prserv et il ny a pas de minraux authignes secondairesdansleverrealtr.Leverresoxydeetsetransformeenpalagonite.Les minrauxauthignessontlimitsauxespacesentrelesgrainsetlesvsicules. 122Gologie des argilesChapitre 5 (suite)Auhthigense LaltrationdbuteparlaformationdesmectiteMg(saponite)etdezolites (phillipsite).(2)Lors du stade mature, tout le verre est altr, remplac par des smectites et des zolites. LessmectitesprsententdescompositionscomprisesentredesargilesMgetK (saponite, nontronite).(3)Lorsdustadefinal,lesminrauxrsiduelssontentirementremplacs.Lesminraux secondairesconsistentenunmlangedesmectitesdecompositionK-Mg-Feet doxydes de Fe-Mn hydrats.Le budget chimique consiste en le pigeage de K, Mn, Na de leau de mer vers le basalte et lalibrationdeCa,Mg,Si.Lintensitdeschangeschimiquesdpenddeladuredela circulation deau dans le basalte.Figure 5.37 Mcanismes daltration de verres volcaniques basse temprature : Palagonitisation (Chamley, 1989).123Gologie des argilesChapitre 5Origine Chapitre 5 - Origine des minraux argileux Introduction Lesminrauxargileuxrsultentsoitdelaltrationphysiquec--ddeladsagrgation dunerocheprexistante(minrauxprimaires);soitdelaltrationchimique(minraux secondaires).Danscecas,ilssontformspartransformationdunminral(minraux transforms) ou par prcipitation partir dune solution (minraux noforms). Les modes de formationdesargilessontreprisschmatiquementdanslesfigures5.1et5.2.Enrsum,il existe 3 modes de formation des minraux argileux, issus de mcanismes diffrents (Fig. 5.3). Chacun des modes donne des informations diffrentes-surlesconditionsdaltrationauniveaudelargionsource(argile=outil paloclimatique); - sur les conditions de transport (argile = outil palocanographique);-surlesconditionsgochimiquesenvironnementales.Aprscetteintroductiongnrale, nousallonstudierlesparamtresquirgissentlacompositionetlanaturedesminraux secondaires. Figure5.1Processusdvolutiondesminrauxprimairesetformationdesminrauxargileux (Landry & Mercier, 1992). 85Gologie des argilesChapitre 5Origine Heritageno changeclay mineral = parent mineralRejuvenation Incorporation of K+or Mg 2+ in a sligthly altered clay mineralopen illite+ K+= closed illitevermiculite + Mg 2+ = chloriteDegradationNew mineralwith the same structureopen illite = closed illite + K+(rejuvenation)Different mineralopen illite+ Mg2+= Mg chloriteAggradationNeoformationCombination of ions in solutionLoss of K+ or Mg 2+ closed illite - K+= open illitechlorite - Mg 2+ = vermiculiteTransformation Figure 5.2 Processus de formation des minraux argileux (modifi de Thorez, 1998).Figure 5.3 Origine des minraux argileux (Velde, 1995).86Gologie des argilesChapitre 5Origine A. Altration Loriginemajeuredesminrauxargileuxestlielaltration,suiviedelrosion,du transportetdelasdimentation,deformationsgologiquesetpdologiquesexposesla surfaceterrestre.Touslesprocessussuperficielsrsultentdelinteractionentrelesroches (lithosphre),lair(atmosphre),leau(hydrosphre)etlesorganismes(biosphre)sont regroupssousletermedaltration.Laltrationinclutlesmcanismesrsultantdela fragmentationdesroches,laproductiondesubstancesdissoutesetledveloppementde profils pdologiques.Laltration tend atteindre un tat dquilibre si les conditions environnementales restent stables. Par exemple, dans le dveloppement dun sol, les 2 processus (i.e., altration physique etchimique)secombinent.Laltrationphysiquepermetlafragmentationdelaroche-mre. Ensuite la percolation deau va progressivement modifier la composition de la roche-mre et des horizons pdologiques vont se dvelopper au fur et mesure de laltration.La figure 5.4 prsentelastructureidalisedunsolavecladfinitiondesesdiffrentshorizons.Les minraux argileux sont les constituants majeurs dans les sols (Tab. 5.1). Figure 5.4 Altration des roches et formation des minraux argileux dans les sols (Chamley, 1989 ; Velde, 1992).

87Gologie des argilesChapitre 5Origine Table 5.1 Minraux argileux dans les sols (Allen, 1997). Paramtres contrlant laltration Laltration chimique comprend 4 types de ractions selon la composition de la solution dattaque (Tab. 5.2). Altration chimique? Table 5.2 Processus daltration chimique (Chamley, 1989).88Gologie des argilesChapitre 5Origine Lacidolysesedveloppedansunenvironnementricheenmatireorganique,denature acideetcaractrisparlaprsencedecomplexesorgano-minraux.Lalcalinolysese dveloppepluttenenvironnementbasiqueavecdessolutionschargesenCaouMg. Lhydrolyse, processus le plus rpandu et le mieux connu, correspond lattaque dune roche pardeleaudansdesconditionsdepHmoyen.Enfinlasalinolyseseproduiten environnement vaporitique salin (Na, K) dans des conditions normales de pH. Ledegrdaltrationvadpendredelacombinaisonsdeplusieursfacteursquivont dterminer la nature des minraux secondaires forms. (Fig. 5.5).Les facteurs principaux sont: -leclimat(temprature,humidit,alternancesaisonnire)quicontrleledegr dhydrolyse; - le relief qui dtermine le degr de drainage ou de confinement; - la nature de la roche-mre qui conditionne la squence des minraux forms.Le degr daltration va augmenter en fonction du taux de prcipitation, du relief mais aussi en fonction du temps (i.e., dure des processus - Fig. 5.6). Figure 5.5 Principaux facteurs delaltration : climat, roche-mre et topographie (Beauchamp, 2002) 89Gologie des argilesChapitre 5Origine Figure 5.6 Principaux facteurs daltration : topographie, climat et temps (Velde, 1992). Hydrolyse Lhydrolyse correspond une raction chimique entre un sel et de leau pour former un acide et une base (Tab. 5.3). Lhydrolyse est synonyme dune destruction par de leau au sensthymologique,elleconsisteenunesoustractionprogressivedionspartirdu matriel parental. Les ions les plus mobiles sont soustraits en premier lieu (Na, K, Ca, Mg, Sr). Les lments de transition sont vacus plus tard (Mn, Ni, Cu, Co, Fe) mais avant Si. LAlestllmentlemoinsmobile.Lhydrolyseattaquelespartieslesplusexposesdu minral c--d la surface externe, les fissures ou clivages. Hydrolyse croissante Table 5.3 Degr dhydrolyse dun feldspath potassique (Chamley, 1989).90Gologie des argilesChapitre 5Origine Parexemple,enclimattemprhumide,onpeutschmatiserlhydrolyseen3tapes(Fig. 5.7): - lessivage dun cation (Na, K) par ouverture dun feuillet; -migrationduncationoctadralverslinterfoliairepourcompenserledficitdecharge (ces cations seront vacus par la suite en solution); -migrationversloctadreetfinalementvers linterfoliaire des cations ttradriques (Si, Al). 1. Lessivage dun cation interfoliaire2. Migration dun cation octadrique3. Migration dun cation ttradrique Figure 5.7 Influence de lhydrolyse sur les minraux argileux (Chamley, 1989). Plusieurs facteurs favorisent lhydrolyse: - labondance des minraux solubles; - la composition de la roche (a) les vaporites saltrent plus rapidement que les carbonates,les carbonates saltrent plus vite que les silicates (b) parmi les minraux silicats, la squence daltration correspond lasquence inverse de la squence de cristallisation fractionne de Bowen.- la petite taille des minraux (surface spcifique plus importante); - la prsence dacides organiques lis lactivit bactrienne; - les conditions de drainage permettant dvacuer les solutions; -lhumidit(etdansunemoindremesurelatemprature)permettantdacclrerles ractions. 91Gologie des argilesChapitre 5Origine Lintensitdelhydrolysedonnedesminrauxsecondairesdemoinsenmoinsrichesen cations, surtout les mobiles, et des solutions de plus en plus charges. Selon les conditions de drainageet dvacuationdessolutions, diffrents minraux argileux vont se former. Pour un drainage peu intense, les minraux secondaires conservent un rapport Si/Al lev (rapport de 2=bisiallitisation)conduisantlaformationdeminrauxargileuxdetype2/1(smectites). Un drainage moyen permet la formation de minraux de type 1/1 (kaolinite) par un processus appelmonosiallitisation(Si/Al=1).Lorsqueledrainageestintense,toutelasiliceest vacue (processus dallitisation). Les minraux secondaires ne sont plus des argiles mais des oxydes (gibbsite). Le degr dhydrolyse dpend des conditions climatiques (Fig. 5.8a). Figure 5.8a Hydrolyse et zonation climatique (Allen, 1997). 92Gologie des argilesChapitre 5Origine Trsschmatiquement,onobservedesbandesdaltrationparalllesauxlatitudes(et altitudes).Eneffet,ladistributiondessolsestprincipalementzonale,fonctiondes prcipitationsannuellesetdelatemprature.Notonsqueladistributionclimatiqueva galement influer sur le type de vgtation, la densit de la vgtation, lintensit de lactivit biologiquedanslessols.Cesparamtresvontaussijouersurledegrdaltration.Par exemple, sous climat dsertique sec subtropical, il y aura peu daltration chimique malgr la temprature leve. Figure 5.8b Hydrolyse et zonation climatique (Allen, 1997). La figure 5.8b montre la nature des minraux secondaires observs dans les sols selon un transect latitudinal du ple lquateur. (a) En climat froid, laltration physique domine, les solssontpeuvolus,peupaisavecuniquementunhorizonC.Lesminrauxargileuxsont essentiellement des minraux primaires (illite, chlorite). (b) En climat tempr et humide, La temprature moyenne et les prcipitations comprises entre 500 et 1000 mm/a permettent une altrationchimiquesignificative.Unsolsedveloppesur10150cm.Lesargiles.Les argiles secondaires sont de type 2/1, rsultant dune pseudo-bisiallitisation en climat tempr (vermiculites)oudunebisilallitisation(smectites)silatempratureestplusleveetle contrastesaisonnierplusimportant.(c)Enclimatfroidethumide,lesol(podzol)sera compltementlessivavecunhorizonAconstituuniquementdesilice,unhorizonB argileux(smectite,illiteetintestratifis).(d)Enclimatchaudethumide,lhydrolysesera active,etconduiraunemonosiallitisation(kaolinite).Globalementleprocessusde 93Gologie des argilesChapitre 5Origine bisiallitisation domine, reprsentant 2/5 des sols. Le tableau 5.4 donne les minraux argileux Table 5.4 Argiles des sols (Weaver,associs aux diffrents types de sols. 1989).Squence daltration atriaux les plus fins des sols. Les minraux les moins sta Laltration se dveloppe dans les mblesserontprsentsuniquementdanslespremiersstadesdaltration,lesplusrsistants domineront les derniers stades (Tab. 5.5). En 1963, Jackson a propos de classer les minraux en 13 stades selon le degr de stabilit, du moins stable (valeur arbitraire de 1) au plus stable (valeurde13).Danscettesquenceidalise(Fig.5.11a),lesminrauxparentauxsontdes micas (muscovite, biotite, illite); les minraux transitoires sont des phases simples (smectite, vermiculite) ou interstratifis chlorite-vermiculite ou intergrades. 94Gologie des argilesChapitre 5Origine Table 5.5 Stades daltration et minraux argileux dans les sols (Weaver, 1989). Figure5.11aSquencedaltrationdesminrauxargileuxdanslessols :laSquencedeJackson(Thorez, 1985). 95Gologie des argilesChapitre 5Origine Notons que dans les sols, les argiles peuvent tre trs diffrentes des minraux synthtiss outrouvsdansdesdptspurs(Fig.5.11b).Ontrouveparexempledanslessolsune vermiculiteparticulire.CettevermiculitedessolscomportedeshydroxylesdAldansles espacesinterfoliairesetdesoxides(goethite,hmatite)olAlestremplacparleFe.En 1949, Pearson & Ensminger ont observ dans un sol aux USA un minral caractris par un espacebasalde14Amaisavecdespropritsdiffrentesdunevermiculite,smectiteou chlorite.Ceminralrsultedelaltrationdunephasevermiculitiqueousmectitique.La prsence dhydroxyles dAl (ou piliers aluminique) limite la fermeture des feuillets 10A au chauffage et diminue la capacit dchange. Par la suite, ces minraux ont t identifis dans de nombreux sols, surtout dans la fraction argileuse la plus grossire (0.2 2 microns). Figure 5.11b Squence daltration des minraux argileux dans les sols (Parker & Rea, 1989). Lasquencedonneunesuccessiondtapes(oudephases)quisedveloppentavecune perte en Fe, Mg et Si et une augmentation de la stabilit des minraux. Les flches indiquent lescheminsdaltrationpossiblesdunminralunautreaveclesretoursventuels.Les derniers stades de 11 13 ne sont pas considrs sur la figure (Fig. 5.11a). 96Gologie des argilesChapitre 5Origine LasquencedeJacksonestunschmatrssimplificarellenetientpascomptede nombreux facteurs qui influencent le degr daltration (Thorez, 1986). Par exemple:- la composition, la granulomtrie, la texture, la porosit du matriel parental;- la composition, le volume, la rgularit des prcipitations (climat); - la topographie, le relief, la gomtrie du substrat, la stabilit tectonique; - la nature et la densit de la vgtation,.... Deplus,lasquenceestsupposerversiblealorsquelaltrationpeutsarrternimporte quelstade.Certainsminrauxsontplussensibleslaltration(smectite,vermiculite, interstratifis) que dautres (chlorite, illite, biotite, muscovite) et des dphasages dans le degr daltration peuvent apparatrent. Laltration est progressive, tous les minraux natteignent paslemmestadesimultanment.Lasquencesous-estimentlimportancedesminraux interstratifis.Apartirdunecompilationdessquencesdaltrationreportesdansla littrature,J.ThorezaproposuneversionpluscompltedelasquencedeJackson,sous forme dun bloc diagramme (Fig. 5.12). Les minraux parentaux (illite, chlorite) sont reports 2 extrmits; les minraux transitoires, principalement des interstratifis, sont reprsents au niveau des panneaux latraux et diagonaux; les minraux finaux (smectite, vermiculite) aux 2 autresextrmits.Lescheminsdaltrationsontencorepluscomplexe.Lafigure5.13,par exemple,prsenteles13voiesdaltrationpossiblespourunechlorite(Thorez,1986).La figure 5.14 prsente le lien entre les tendances dans la squence daltration et les conditions climatiques (drainage, humidit). Figure 5.12 Squence daltration des minraux argileux dans les sols (Thorez, 1985).97Gologie des argilesChapitre 5Origine Figure 5.13 Squence daltration de la chlorite dans les sols (Thorez, 1985). Figure 5.14 Squence daltration des minraux argileux dans les sols (Thorez, 1985).98Gologie des argilesChapitre 5Origine Paralllement la dmarche suivie par Jackson, J. Thorez a propos dutiliser le classement desminrauxselonleurdegrdaltrationpourcalculerunindex(indexdhydrolyse,HI) reprsentatif des conditions dhydrolyse globale. Cet index se calcule partir des spectres de rayons X.HI = (abondance relative des minraux) x SN / minraux parentaux o SN= numro dans la squence daltration de 1 13 (Tab. 5.6).Cela implique didentifier les minraux prsents, de quantifier leur abondance relative et de fixer les minraux parentaux (SN= 1 par dfinition). Table 5.6 degr daltration des minraux argileux dans les sols (Thorez, 1985). Squence daltration - Approche thorique Ltudedelaltrationpeutsefairevialaconstructiondedigrammedestabilitcalcul selonlnergielibredeformationetlacompositiondesphasessolides.Cegenrede diagrammesindiqueapproximativementlacompositiondelasolutiondanslaquelleun minral est le plus stable et donne la nature du minral qui prcipitera partir dune solution decompositionfixe.Ilindiquegalementla squence selon laquelle les minraux voluent enfonctionduchangementdechimiedessolutions.Lesdiagrammesdestabilitne 99Gologie des argilesChapitre 5Origine reprennent quun nombre limit de cations (e.g., K2O, Al2O3, SiO2, H2O dans figure 5.15a ou Na2O,Al2O3,SiO2,H2Odansfigure5.15b).Siunautrecationintervient,dautresphases vont prcipiter.Domaines de stabilit des minraux secondaires pour le systme K2O-Al2O3-SiO2-H2O avec K+/H+= 4, 25C Weaver, 1989. Fig. 5.15b Domaines de stabilit des minraux secondaires pour le systme Na2O, K2O-Al2O3-SiO2-H2O Eslinger & Peaver, 1988Hydrolyse croissante

100Gologie des argilesChapitre 5Origine Synthse La composition des argiles dans les sols dpend de la composition du climat, du matriel parental, de la topographie et du temps. (1) Influence du climat Lafigure5.17prsentelesrsultatdeplusde400analysesdesolschantillonnsselon untransectE-W,entrelaDeadValleyetlaCalifornie(USA).Tousleschantillonsontt prlevdansdesconditionsdetempratureidentiqueenchoisissantdeschantillonsdes altitudes diffrentes selon le lieu. La fraction argileuse (< 2 microns) a t analyse par DRX. Globalement la distribution des argiles sont identiques pour une roche-mre acide ou basique (exceptpourlillite).Lamontmorillonites.l.nesedveloppedanslessolsquepourdes prcipitations faibles (i.e., infrieures 40 inches, particulirement abondantes < 10 inches). Kaolinite,vermiculiteetgibbsitesontbienreprsenteslorsquelesprcipitationssont abondantes (> 40 inches). Lillite, par contre, nest prsente que dans des sols dvelopps sur substratacidesousdesconditionsdefaibleprcipitation(probablementliladisponibilit du K). Figure5.16aInfluenceduclimatsurlacompositiondesminrauxsecondaires :Altrationsurroches magmatiques acides de Californie (Weaver, 1989). 101Gologie des argilesChapitre 5Origine Figure 5.16b Influence du climat sur la composition des minraux secondaires : Altration sur roches magmatiques basiques de Californie (Weaver, 1989). (2) Influence de la roche-mre Lafigure5.18illustrelarelationentreletypederochemagmatiqueetlaminralogiedes argiles secondaires. Figure 5.18 Influence de la nature de la roche-mre sur la composition des minraux secondaires (Velde, 1992).Roche-mreMinraux secondaires 102Gologie des argilesChapitre 5Origine Quelquesexemplesdesquencesdaltration,enclimattempr,illustrentlerledela nature du substrat:- Altration sur granite (Fig. 5.19, 5.20, Tab. 5.7); - Altration sur gabbro (Fig. 5.21, 5.22, Tab. 5.8); - Altration sur substrat basique ultrabasique (Fig. 5.23, Tab. 5.9); - Altration sur basalte (Fig. 5.24, 5.25, Tab. 5.10).

Figure 5.19 Squence daltration sur granite (Velde, 1992). Figure 5.20 Evolution des minraux argileux dans un sol dvelopp sur roche-mre acide (Velde, 1995).103Gologie des argilesChapitre 5Origine Table 5.7 Squence daltration sur granite (Velde, 1992). Figure 5.21 Squence daltration sur gabbro (Velde, 1992).Table 5.8 Squence daltration sur gabbro (Velde, 1995). 104Gologie des argilesChapitre 5Origine Figure 5.22 Squence daltration sur gabbro (Velde, 1995).

Figure 5.23 Squence daltration sur roche magmatique basique ultrabasique (Velde, 1995).105Gologie des argilesChapitre 5Origine Table 5.9 Squence daltration sur roche magmatique basique ultrabasique (Velde, 1995). Figure 5.24 Squence daltration sur basaltes (Velde, 1992).106Gologie des argilesChapitre 5Origine Table 5. 10 Squence daltration sur granite (Velde, 1992). (3) Influence de la tectonique Lintensitdelrosionpeuttreenregistredanslacompositiondesminrauxargileux (Fig.5.25).Dansunenvironnementtectoniqueactif,lesminrauxserontprincipalement transportsintactsverslebassindesdimentation,avecdoncunedominancedesprocessus dhritage.Dansunenvironnementsansperturbationtectonique,lebassincollecteles solutionsissuesdelaltrationavecseulementquelquesparticulesargileuseshrites.Les processusdenoformationdomine.Pourunesituationintermdiaire,lesminrauxargileux auront une origine mixte, transforms et noforms. (4) Influence du temps Letableau5.11prsentelvolutiondelaminralogiedesargilesdansdespalosols quaternaires.Lesargilesquisedveloppentsurunsolinterglaciairemontrentune augmentation des minraux interstratifis, vermiculites, des smectites dgrades et parfois de lakaoliniteparrapportauxdptsglaciairescaractrisspluttpardesminrauxprimaires (chlorites,illites).Dansunpalosol,leseffetsdelaltrationaugmententselonlgedes dpts. 107Gologie des argilesChapitre 5Origine Figure 5.25 Influence de la tectonique sur la formation des minraux secondaires (Thorez, 1989).Table 5.11 Influence du temps sur la formation des minraux argileux secondaires (Chamley, 1989). ParexempleenTouraine(France),dessolsformssurdesdptsoliensetfluviatiles montrentunediminutiondesminrauxprimairesfragilesetuneaugmentationdesminraux secondairesduPlistocneauPliocne.Lesfigures5.26aetbillustrentlvolutiondela 108Gologie des argilesChapitre 5Origine minralogiedesargilesdansdespalosolsdgetertiaire.Danslafigure5.26a,Thiryetal. (1977)ontmisenv