ETUDE DES PALYGORSKITES

Généralités sur les argiles 

 Pour le terme argile, on peut noter plusieurs définitions selon les spécialistes qui travaillent sur les matériaux argileux. Pour la plupart d’entre eux, le mot argile s’applique soit aux roches, qui présentent les propriétés qui les intéressent, soit à la fraction granulométrique responsable de ces propriétés. C’est ainsi que les minéralogistes les considèrent d’une manière générale comme étant des phyllosilicates hydratés de petite taille. Cependant, notons que tous les minéraux argileux ne sont pas des phyllosilicates (quartz, feldspath) encore moins des silicates (oxydes). Quant à la définition granulométrique, les géologues ou les pédologues définissent l’argile comme tout minéral de granulométrie dont le diamètre des grains est inférieur à 2 ou 4 μm et de là, on parle de « fraction argileuse ». Les ingénieurs civils s’intéressent plutôt à leurs propriétés en tant que matériel industriel (réfractaires, matériaux de construction) caractérisées par une malléabilité à l’état humide. Les céramistes les regroupent selon leur attitude au feu alors que les drapiers les caractérisent par leurs propriétés adsorbantes et en particulier décolorantes. L’argile à l’état humide est malléable alors qu’à l’état sec elle perdure douce au toucher. Elle a une affinité pour l’eau qui se traduit par le fait que le matériau sec happe à la langue. D’une manière générale les argiles sont cristallisées. Mais il était couramment admis que les argiles étaient formées de composés amorphes (allophanes dans les sols développés sur substrat volcanique ou andosols) du fait de la finesse des particules et de certains comportements une fois mélangées à l’eau en particulier le gonflement . Ainsi, Eslinger et Peaver (1988) [2] caractérisent les argiles comme un minéral qui domine dans la fraction fine (< 2μm) aussi bien des roches et des sols. Par contre, pour tous les minéraux phyllosilicatés, Weaver (1989) [8] les regroupe sans différentiation de taille et préconise d’utiliser le mot « PHYSILS » pour ne pas faire des embrouilles.

Origine 

 Les argiles sont les constituants majeurs des sols et se constituent à partir des minéraux préexistants par altération physico-chimique d’une roche. Le type d’argile produit est fonction de la nature de la roche, du climat et de la topographie du milieu [9]. La roche préexistante se disgrège dans une altération physique alors que dans une altération chimique les argiles proviennent de l’influence de l’eau sur cette dernière. Cette action de l’eau sur la roche conduit soit à la transformation de cette dernière engendrant ainsi des minéraux transformés soit à des réactions de précipitation produisant des minéraux néoformés. De ce fait, le type de minéral constitué est fonction de la quantité d’eau. J.Thorez définit les argiles comme des 3 mutants en précisant qu’elles s’agissent de minéraux en continuelle évolution minéralogique pour atteindre un état d’équilibre thermodynamique selon l’agent d’altération [10]. La dégradation des minéraux primaires se fait par un agent comme le vent donnant naissance à des minéraux hérités tels que le quartz (𝑆𝑖𝑂2) et que leur altération en présence d’eau constitue des minéraux transformés tels que les argiles micacées avec comme exemple l’illite (𝑘𝐴𝑙4𝑆𝑖2𝐴𝑙𝑂20(𝑂𝐻)4) ou des minéraux néoformés telle que la kaolinite (𝐴𝑙4𝑆𝑖4𝑂10(𝑂𝐻)8) ou des hydrolysats comme la gibbsite(Al(𝑂𝐻)3). L’évolution des minéraux transformés et néoformés aboutit à la formation des minéraux secondaires. Ces derniers et les minéraux hérités vont se constituer pour donner naissance au complexe d’altération. Les ions comme ( 𝑁𝑎+, HC𝑂3 − ,𝑀𝑔2+, 𝐻4𝑆𝑖04, S𝑂4 2−, etc) issus de l’altération des minéraux primaires vont migrer sous l’action de l’eau et se transforment en carbonates, phosphates, sulfates, etc par des organismes marins. 

Structure des minéraux argileux

La disposition des atomes constitutifs des minéraux argileux se fait de deux manières.  L’une concerne les ions oxygènes seulement ;  Et l’autre c’est pour les ions oxygènes et les ions hydroxydes. Etant donné que l’atome a la forme d’une sphère alors ils sont arrangés sur les plans de façon que les centres des sphères appartiennent à des droites parallèles entre elles. Cet arrangement des atomes permet ainsi de définir deux types d’assemblages : -Le premier appelé : assemblage compact vient du fait que les sphères appartenant à deux rangs contigus sont décalés d’un rayon, si bien que les centres de deux sphères appartenant à une même ligne et d’une sphère positionnée sur la ligne voisine sont situés aux sommets d’un triangle équilatéral. -Le deuxième assemblage contenant exclusivement des ions oxygènes est obtenu du premier en retirant une sphère sur deux toutes les deux lignes. Ce type d’assemblage est souvent appelé plan hexagonal car laisse apparaitre des cavités hexagonales délimitées par six sphères. Les ions oxygènes et les ions hydroxyles constituant les minéraux argileux sont arrangés dans les structures de ces derniers selon trois directions correspondant aux trois types de plans anioniques dénommés X, Y et Z. Ainsi, le plan X non compact et ne contenant que des ions oxygènes est caractérisé par une alternance de lignes pleines et de lignes à moitié remplies définissant ainsi des lacunes ou cavités hexagonales entourées chacune par six sphères. Dans ce plan, chaque anion 𝑂 2− possède quatre voisins. Chaque anion a un rayon de 1,3 Å et les hexagones possèdent 2,6 Å de coté, 5,20 Å de diagonale et une cavité de 2,6 Å de diamètre.  Le plan Y compact est constitué à la fois d’ions oxygènes et d’ions hydroxyles. Dans ce plan, sur chaque ligne un anion oxygène sur trois est substitué par un ion hydroxyle. De ce fait, chaque groupement hydroxyle 𝑂𝐻− est entouré de six ions oxygènes 𝑂 2−. Le plan Z compact est constitué uniquement d’ions hydroxyle. Dans ce plan, les ions hydroxyles de deux rangs contigus sont décalés d’un rayon, si bien que les centres de deux ions hydroxyles appartenant à une même ligne et d’un ion positionné sur la ligne voisine sont situés aux sommets d’un triangle équilatéral. La superposition d’un plan à cavité hexagonale X et d’un plan compact (Y ou Z) de telle sorte que l’ion 𝑂𝐻− du plan Y se trouve à l’aplomb de la cavité hexagonale du plan X définit des cavités tétraédriques pouvant être occupées par des cations (𝑆𝑖4+ ,𝐴𝑙3+ et plus rarement 𝐹𝑒3+ et 𝐶𝑟3+ ). Alors que l’empilement des plans Y et Z forme des cavités octaédriques où peuvent se loger des cations tels que 𝐴𝑙3+, 𝑀𝑔2+, 𝐹𝑒3+, 𝐹𝑒2+, 𝑁𝑖2+ 𝑜𝑢 𝑀𝑛2+. La structure des minéraux argileux possède une terminologie qui lui est propre.  Les couches : formées par l’empilement de deux plans d’atomes d’oxygène et/ou d’hydroxyle constituant des couches tétraédriques et des couches octaédriques ;  Les feuillets correspondent à l’empilement articulé des couches ;  L’espace interfoliaire : c’est l’espace qui se trouve entre deux feuillets de même structure pouvant être vide mais contient le plus souvent des cations secs ou hydratés, des groupes hydroxylés ou des couches d’hydroxydes.  L’unité structurale : c’est l’association d’un feuillet et d’un espace interfoliaire.  La distance basale : c’est l’épaisseur de l’unité structurale. 

La couche tétraédrique (T) 

Cette couche est constituée de tétraèdres possédant quatre atomes d’oxygène à leurs sommets et un cation central pouvant être essentiellement le cation 𝑆𝑖4+ dans (Si𝑂4 4−), éventuellement 𝐴𝑙3+ dans (Al𝑂4 5−) et rarement 𝐹𝑒3+ dans (𝐹𝑒𝑂4 5−) (figure 1a). Les tétraèdres sont liés en se partageant les trois oxygènes en maille hexagonale appelés oxygènes basaux. Les oxygènes non partagés sont appelés oxygènes apicaux et pointent tous suivant la même direction dans les phyllosilicates et sauf pour de rares espèces comme la palygorskite et la sépiolite (figure 1b). Ainsi, les oxygènes basaux sont constitués en un réseau à deux dimensions présentant ainsi une symétrie hexagonales et des lacunes hexagonales (figure 1c). 5 Figure 1: Eléments structuraux : les tétraèdres .

La couche octaédrique (O)

 C’est une couche constituée d’octaèdres jointifs possédant six atomes d’oxygène ou d’hydroxyle et un cation central pouvant être trivalent (𝐴𝑙3+, 𝐹𝑒3+) ou divalent (𝐹𝑒2+,𝑀𝑔2+) (figure 2a). Ces octaèdres sont reliés entre eux par les arrêtes (Figure 2b). Si les cations occupant les sites sont trivalents 𝐴𝑙3+ par exemple, alors deux octaèdres sur trois seront occupés et le troisième reste vacant. De ce fait, un anion sera partagé par deux octaèdres voisins et dans ce cas on dit que la couche est dioctaédrique. Par contre s’ils sont occupés par des cations divalents 𝑀𝑔2+ par exemple, chaque anion sera lié par trois cations c’est-à-dire trois octaèdres voisins et dans ce cas la couche est dite trioctaédrique. La couche octaédrique a une symétrie hexagonale et que la dimension de sa maille dépend du cation présent. Figure 2 : Eléments structuraux : les octaèdres.

Liaison entre les couches tétraédriques et octaédriques

Cette liaison se fait par le partage des oxygènes apicaux des tétraèdres qui remplacent autant d’hydroxyles constituant les sommets des octaèdres conduisant ainsi à la formation des feuillets. Etant donné que les couches tétraédriques et octaédriques n’ont pas les mêmes dimensions, alors il est évident qu’il y ait une déformation des deux couches lors de leur liaison (figure 3