La terre argileuse

Classification minéralogique

Il y a quelques 4,6 milliards d’années un nuage interstellaire de poussières se forme, sous les effets de la gravitation, pour donner naissance à la Terre. L’accrétion initiale et les échauffements résultants entrainent alors les éléments lourds en direction du centre pour conserver les plus légers, comme la matière silicaté, sur le pourtour. La différenciation des éléments s’avère ainsi à l’origine de la structure en couches avec le noyau, le manteau et la croute terrestre. L’échauffement provoqué par la formation de la terre conduit également, par le biais des éruptions volcaniques, à un dégagement d’éléments chimiques dans l’atmosphère. Les vapeurs d’eau se condensent en entrainant une formation des océans puis l’apparition des mécanismes de photosynthèse et plus tard de la vie. L’histoire de la planète s’inscrit dans les roches formées à chacune des diverses époques. Ces constituants de l’écorce terrestre se forment d’un assemblage de minéraux et se répartissent ainsi selon le cycle géologique en différents groupes. Les roches magmatiques résultent d’une solidification de magmas, au sein ou en périphérie de la croute terrestre, et se voient communément représentées par le basalte ou le granite. Les roches sédimentaires se développent en revanche sous une accumulation de fragments minéraux et apparaissent généralement sous la forme d’argile, de grès ou de calcaire. Le groupe des roches métamorphiques s’apparente enfin à une transformation des précédents sous l’action conjuguée de la température et de la pression pour former des schistes ou bien de l’ardoise. Les roches de la croûte terrestre se forment, s’altèrent puis se recyclent sous la forme d’un cycle géologique. Lorsqu’une roche parvient à affleurement, elle se voit aussitôt soumise à l’action des agents climatiques pour être progressivement dégradée. Les débris minéraux de roches mères sont alors altérés par différents mécanismes chimiques comme l’hydrolyse ou la carbonatation pour former de nouveaux composés comme l’argile. Ces résidus détritiques sont alors transportés par voie glaciaire, fluviale ou éolienne jusqu’à des bassins de sédimentation puis se destinent à la formation d’un gisement. Les minéraux argileux se voient, en fonction du processus de dégradation des roches mères, accompagnés de diverses paragenèses au sein des gisements. La combinaison d’argiles avec du quartz, de la silice, des feldspaths, des carbonates ou des oxydes de fer est ainsi monnaie courante en géologie et fait alors appel au terme de terre argileuse. Les minéraux se distinguent au sein d’une terre argileuse par la dimension de leurs particules. Les paragenèses apparaissent en effet sous la forme de limons et attestent de particules aux dimensions comprises entre 2 et 50µm. Les sables présentent en revanche une large distribution granulométrique s’étendant de 50 à 2000µm. Les minéraux argileux disposent quant à eux de particules en forme de feuillets inférieurs à 2µm et représentant la fraction fine d’un sol [11]. Ces lamelles constituant le minéral et pouvant glisser les unes par rapport aux autres assignent également les argiles à la famille des phyllosilicates, du préfixe phullon (feuille) et La terre argileuse 16 du suffixe silis (silex). L compose de deux unités é et une couche tétraédriq différentes familles argileu Figure 1.1 _ Couche tét [13]. La couche tétraédrique s’apparente, en accord av bidimensionnel de tétraè central en silicium ento sommets. Les tétraèdres d’oxygène et de silicium couche tétraédrique par formule chimique de l’uni Figure 1.2 _ Couche oct [13]. La couche octaédrique ( correspond, au vu du sché gibbsite et de formule ch d’un atome central d’alum hydroxyles (OH- ) en ses aux atomes d’aluminium occupation de seulement sont alors soumis à de no combler ces lacunes et pa Chapitre La structure cristalline de ces silicates d s élémentaires apparaissant comme une couc rique qui distinguent également par leur a leuses [12]. étraédrique (T) du réseau cristallin des min e (T) entrant dans la composition du m avec la représentation proposée en figure 1 aèdres d’oxygène. Le polyèdre se constitu ouré par quatre atomes d’oxygène en s offrent une coordinence équivalente à 4 a m unis par des liaisons iono-covalentes e ar mise en commun des atomes d’oxygè nité apparait en cas d’association infinie com ctaédrique (O) du réseau cristallin des min (O) institue la seconde unité d’un miné héma proposé en figure 1.2, à un réseau d’oc chimique Al(OH)3. Le polyèdre se compos luminium associé par des liaisons chimique s sommets avec une coordinence de 6. Le m ne présentent en respect de l’équilibre él t 2 sur 3. Les atomes centraux de la couc nombreuses substitutions par le magnésium passer en configuration trioctaédrique. re 1 : État de l’art d’aluminium se uche octaédrique r agencement les inéraux argileux minéral argileux 1.1, à un réseau itue d’un atome chacun de ses avec des atomes et formant une gène basaux. La omme SiO4.

Comportement à la température

La première réaction subie par un minéral argileux au cours d’une montée en température s’avère la déshydratation. Les dégagements sous forme de vapeur se rapportent d’abord à une libération d’eau colloïdale comblant les espaces entre particules puis à une libération d’eau d’interposition se logeant au sein de pores relatifs aux minéraux argileux [20]. Ces deux espèces sont éliminées avant même d’avoir atteint la température de 100°C et représentent la fraction d’eau libre. Le phénomène de déshydratation se poursuit encore à plus haute température avec une libération d’eau hygroscopique adsorbée en surface du minéral et formant une fine pellicule. La polarité de l’eau consent une formation de liaisons hydrogènes entre ses protons et les atomes oxygène du minéral argileux pouvant résister à des températures atteignant près de 200°C. Chapitre 1 : État de l’art 21 Les minéraux du groupe argileux des smectites présentent encore une réaction de déshydratation pouvant s’étendre jusqu’à 250°C et correspondant à une libération de l’eau piégée entre les feuillets. Les réactions chimiques s’établissant à plus haute température engendrent un changement cette fois de position des atomes au sein du réseau cristallin. Une modification de la configuration initiale intervient avec l’apparition de nouvelles phases chimiques et d’états d’équilibre propres à chacun des groupes argileux. Les minéraux appartenant à la famille des kaolinites subissent, en accord avec l’analyse thermique présentée en figure 1.8, une réaction de déshydroxylation entre 450 et 550°C. Ce mécanisme brise les groupements hydroxyles qui assuraient auparavant une cohésion entre les couches octaédriques et tétraédriques du feuillet [21]. La structure subit dès lors une amorphisation progressive transformant le minéral en métakaolinite selon la réaction chimique suivante [22] : Al2Si2O5 OH4 → Al2Si2O7 + 2H2O (1) La délocalisation de protons vers un site hydroxyle voisin admet une formation en molécules d’eau pouvant être définie comme eau de constitution. La diffusion des hydroxyles au sein du feuillet contrôle cette réaction de déshydroxylation et relève de l’organisation cristalline [23]. Un minéral argileux comprenant des lacunes et des défauts d’empilements offre un champ de diffusion bien supérieur aux hydroxyles et permet une instauration de la réaction à des températures inférieures. Plusieurs auteurs évoquent néanmoins que la métakaolinite en cours de formation conserve environ 10% des groupements hydroxyles du minéral [24]. Leur expulsion n’intervenant pas avant 930°C pourrait ainsi s’avérer un des éléments déclencheurs à la réaction ultérieure de forte exothermicité [25] : 2 Al2Si2O7 → Si3Al4O12 + SiO2 (2) Le minéral amorphe accumule en effet sous l’action de la température une énergie suffisante pour prétendre à un arrangement ordonné. La métakaolinite cristallise alors en spinelle de type Al/Si, avec une libération de silice amorphe.La formation de cette structure entre les températures de 950 et 1100°C relève selon toutes vraisemblances du retard de déshydroxylation ayant entrainé une ségrégation des régions riches en silicium ou en aluminium. Certains auteurs font d’ailleurs état d’une alumine pure accompagnée de silice sous une seule forme amorphe et très réactive [26]. La libération de ce composé au cours de la réaction topotactique engendre quelque soit ses proportions au sein du minéral une transformation complémentaire pouvant s’instaurer à 1050°C : 3 Si3Al4O12 → 2 Si2Al6O13 + 5 SiO2 (3) La réaction chimique représentée en équation 3 consomme en effet la structure spinelle à mesure de sa formation pour produire une phase plus dense de mullite avec une libération de silice amorphe [27]. Un mécanisme de nucléation s’établit  sur les résidus du minéral et génère une mullite primaire sous forme écailleuse. La ségrégation accompagnant ce mécanisme favorise également la formation de cristobalite au sein des régions riches en silicium aux températures avoisinant les 1200°C. Des aiguilles de mullite secondaire se développent enfin parmi les phases vitreuses s’avérant toujours plus abondantes à raison des libérations de silice amorphe [28].