Les argiles par la pratique
Cristallochimie, minéralogie, géologie

Sommaire et contenu du livre "Les argiles par la pratique - Cristallochimie, minéralogie, géologie"

TABLE DES MATIÈRES Avant-propos........................................................... 3 CHAPITRE 1. La structure cristalline des phyllosilicates ..... ............. 3 Les cristaux Exercice 1.1 Utilisation des règles de Pauling . 5 Exercice 1.2 Polyèdres de coordinence . 7 Exercice 1.3 Quelques bases de cristallographie nécessaires . 7 Les silicates . 9 Exercice1.4 Letétraédre(SiO,l+............................................ 9 Exercice1.5 Dimensionsdestétraédres[SiO,]'-et[AJOJ'-....................... .. Exercice1.6 Lescombinaisonspossiblesdetétraédres.......................... .. II Les phyllosilicates II Couches tétraédriques et octaédriques II Exercice 1.7 La couchetétraédrique........................................ .. II Exercice1.8 Compositionetdimensionsde lamaille........................... .. 13 Exercice1.9 Symétriede lamaille......................................... .. 14 Exercice 1.10 La géométrie de l'octaédre Exercice 1.11 Structure trioctaédrique 16 Exercice1.12 Structuredioctaédrique....................................... .. 17 Le feuillet 18 Exercice 1.13 L'accrochage des couches tétraédrique et octaédrique . 18 Exercice 1.14 La déformation des couches tétraédriques . 19 Exercice 1.15 La déformation des couches octaédriques . Exercice 1. 16 L'accrochage des couches tétraédrique et octaédrique déformées . 21 Exercice 1. 17 Structures 2 : 1 déformées . 21 Exercice 1.18 Structure dioctaédrique cis-vacante . 22 Exercice 1.19 Structure dioctaédrique trans-vacante . 23 Le domaine interfoliaire ... .. .... ... .... .... ... ..... .... ..... ..... ..... .... .. 24 Exercice 1.20 L'épaisseur des domaines interfoliaires 24 Exercice 1.21 Configuration de l'interfoliaire Exercice 1.22 Configuration de la couche ~ brucitique *............................ 26 Composition chimique de la maille unité , 27 Exercice 1.23 Approche de la formule unité des feuillets , 27 IV LES ARGILES PAR LA PRATIQUE Le cristal (empilement de feuillets semblables: les polytypes) ... ...... .. .. .. ..... .. .. 28 Exercice 1.24 Empilement de feuillets identiques: les polyrypes . 28 Exercice 1.25 Polyrype 1M . 29 Exercice 1.26 Polyrypes 2M, et 3T . 30 Exercice 1.27 Polyrypes du groupe des kaolins . 30 Exercice 1. 28 Polymorphes de la serpentine . 31 Le cristal (empilement de feuillets différents: les interstratifiés). .... ..... ....... .... .. 32 Exercice 1.29 Les interstratifiés désordonnés . 32 Exercice 1.30 Les interstratifiés ordonnés à ordre maximum . 33 Exercice 1.31 Les interstratifiés ordonnés à ordre panie1 . 34 Exercice 1.32 Les interstratifiés désordonnés avec ségrégation . 35 Exercice 1.33 Application . 36 Les argiles fibreuses (sépiolite-palygorskite) . ..... .. . .... .. .. .. ..... .. .. .. ..... .. 36 Exercice 1.34 Lesargilesfibreuses. ......................................... .. 36 L'identification des structures cristallines des phyllosilicates par diffraction de rayons X 37 Les fondamentaux de la diffraction de rayons X ................................ .. 37 Exercice 1.35 Longueur d'onde du rayon incident et du rayon diffracté. . . . . . . . . . . . . . .. 37 Exercice1.36 LaloideBragg.............................................. .. 38 Exercice1.37 Applicationde laloideBragg................................... .. 39 La diffraction de rayons Xdes phyllosilicates 41 Exercice 1.40 L'effet du facteur de structure sur l'intensité diffractée Exercice 1.41 L'effet du facteur de structure sur l'intensité diffractée pour une espéce Exercice1.38 Diffractionderayons Xd'unphyllosilicate......................... .. 41 Exercice1.39 L'intensitédiffractée.......................................... .. 42 pourdesphyllosilicatesdifférents. ............................... .. 44 de phyllosilicates présentant des compositions différentes. . . . . . . . . . . . . . .. 45 Exercice 1.42 L'influence de la taiUe du domaine cohérent sur l'intensité diffractée. . . . . .. 46 Exercice 1.43 L'influence du facteur'de Lorentz-polarisation sur l'intensité diffractée ..... 47 L'identification des minéraux argileux 48 Exercice1.44 Méthoded'identificationdesespècespures ........................ .. 48 Exercice 1.45 Le. gonflement » dessmectites ................................. .. 50 Exercice 1.46 La signification des (, paliers » degonflement ... .................... .. 51 Exercice1.47 L'effetdelatailledudomaine cohérent........................... .. 51 Exercice 1.48 Identifier les interstratifiés désordonnés à 2 composants. . . . . . . . . . . . . . . .. 52 Exercice 1.49 Identifier les intersrratifiés ordonnés illite/smectite . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 53 Exercice 1.50 Mélanges et interstratifiés 54 La spectroscopie d'infrarouges. . ... .... .... .... ..... ..... ..... ..... ..... ... .. 55 Exercice 1.51 Les groupements cations-OH 55 TABLE DES MATIÈRES V CHAPITRE 2. La composition chimique des argiles 57 Substitutionscationiquesetsolutionssolides............................... 57 Exercice 2.1 Rayonsioniqueset coordinence................................. .. 57 Exercice2.2 Lesdifférentstypes desolutionssolides........................... .. 57 Exercice2.3 Lalimitedioctaédrique-trioctaédrique............................ .. 58 Exercice 2.4 Distribution aléatoire des substitutions oeraédriques. . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 59 Exercice 2.5 Formation de groupements de cations bivalents (cimiers) . . . . . . . . . . . .. . .. 60 Exercice 2.6 Transition dioctaédrique-trioctaédrique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 61 Exercice2.7 Lessubstitutionstétraédriques. ................................. .. 61 Exercice2.8 Lessiteschargésnégativement.................................. .. 62 Exercice2.9 Lessubstitutionsdans lacoucheimerfoliaire ....................... .. 62 Lecalcul desformulesunités ............................................ .. 63 Les fondamentaux du calcul . ... ... ... .... .... .... .... .... ....... ... ..... . . .. 63 Exercice2.10 Formuleunitéetformule structurale:rappel....................... .. 63 Exercice 2.11 Base de calcul d'une demi-formule unité déshydratée. . . . . . . . . . . . . . . . . .. 64 Application . .. ... ... ... ... ... ... ... .... .... .... ..... .... ..... .. .. ..... . .. 65 Exercice2.12 Calculdedemi-formulesunités................................. .. 65 Exercice 2.13 Demi-formules unités théoriques de solutions solides 67 Exercice 2.14 Demi-formule unité théorique de la solution solide micas-illite. . . . . . . . . . .. 68 Exercice 2.15 Demi-formule unité théorique d'une chlorite tri-tri. . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 69 Le traitement des mélanges de minéraux. ................................ .. 69 Traitement des mélanges de phyllosilicates à composition simple. ...... ..... ..... .. .. 69 Exercice2.16 Mélanged'espècessimples..................................... .. 69 Exercice 2.17 Traitement des mélanges de phyllosilicates présentant des solutions solides .. 71 Exercice2.18 UtilisationdudiagrammeM+-4Si-R2+............................ .. 73 Le calcul de la demi-formule unité des interstratifiés ... .... .... ..... ..... .... . ... .. 74 Exercice2.19 Calculdelademi-formuleunité delacorrensite. .................... .. 74 Exercice 2.20 Structures cristallines possibles de la corrensite . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 76 Applications à la cartographie minérale des matériaux finement divisés. .............. .. 77 Exercice 2.21 Analyses de mélanges complexes de phyllosilicates et autres minéraux 77 Massevolumiquedesprincipauxphyllosilicates ............................ 78 Exercice 2.22 Calcul de la masse volumique de phyllosilicates de type 1 : 1 . 78 Exercice 2.23 Calcul des masses volumiques de la pyrophyllite et du talc (type 2 : 1) . 80 Exercice 2.24 Calcul des masses volumiques des phyllosilicates de types 2 : 1 aveccoucheinterfoliaire(micas). ................................ .. 82 Exercice 2.25 Calcul des masses volumiques des phyllosilicates de type 2:1 expansibles(smectites)........................................ .. 83 Exercice 2.26 Calcul de la masse volumique des phyllosilicates de type 2 : 1: 1 (chloritestri-tri). ............................................ .. 85 Annexe. Lesprincipalesespècesdephyllosilicates ....................... .. 86 VI LES ARGILES PAR LA PRATIQUE CHAPITRE 3. Bilans énergétiques: thermodynamique -cinétique ...... 89 La thermodynamique de l'équilibre 89 La construction des diagrammes de phases .... .... .... .... ...... .... .. ..... .. .. 89 Exercice 3.1 Dissolution du quartz, de la silice amorphe et de la brucite . . . . . . . . . . . . . .. 90 Exercice 3.2 Diagramme de phases des phyllosilicates magnésiens. . . . . . . . . . . . . . . . . .. 92 Exercice 3.3 Diagramme de phases dans le système Si02-Al20)-Kp-H20 . . . . . . . . . . .. 93 Exercice3.4 Lechampdestabilitéde lamontrnorillonite........................ .. 97 À quoi servent les diagrammes de phases. .. ... .... ...... .... ..... ... .. .. .... . .. 98 Exercice 3.5 Application à l'étude des équilibres entre solutions solides. . . . . . . . . . . . . .. 99 Exercice 3.6 Dérivation d'un diagramme de phases composition-potentiel chimique ..... lOI Exercice 3.7 Application de la dérivation dans le système Rh-R3+-Si où R2+ devient mobile 102 La cinétique 104 Exercice 3.8 Le taux de sursaturation 104 Exercice 3.9 Mesurer l'énergie d'activation de la réaction smectite --7 illite 105 Exercice 3.10 L'influence de la teneur en potassium sur l'énergie d'activation de la réaction smectite --7 illite 108 CHAPITRE 4. Propriétés chimiques et isotopiques des cristaux III Propriétés chimiques des surfaces III Exercice 4.1 Calcul théorique de la surface spécifique d'un cristal de kaolinite III Exercice 4.2 Calculer la surface spécifique d'un feuillet de kaolinite 112 Exercice 4.3 Calcul de la surface spécifique d'une montmorillonite 112 Exercice 4.4 L'identification des surfaces d'un feuillet de kaolinite 113 Exercice 4.5 Les propriétés de la surface siloxane 114 Exercice 4.6 La capacité d'échange cationique (montrnorillonite ; type 2 : 1) Ils Exercice 4.7 La capacité d'échange cationique et densité de charge (beidellite ; type 2 : 1) ................................•.......... Ils Exercice 4.8 La relation entre CEC et densité de charge 116 Exercice 4.9 La localisation des charges à la surface des feuillets de type 2 : 1 117 Exercice 4.10 La sélectivité de l'échange cationique 118 Exercice 4.11 L'eau interfoliaire dans les smectites et les vermiculites 119 Exercice 4.12 L'eau extraite par la chaleur 120 Propriétés isotopiques 122 Exercice 4.13 Le fractionnement isotopique minéral-eau 122 Exercice 4.14 Calcul empirique de l'équation de fractionnement en fonction de la température 122 Exercice 4.15 Le fractionnement isotopique fonction de la température 124 Exercice 4.16 Interprétation de l'équilibre kaolinite -eau 124 Exercice 4.17 La cinétique de l'équilibre isotopique 125 Exercice 4.18 L'équilibre isotopique entre argiles et solution aqueuse en milieu diagénétique 126 TABLE DES MATIE RES VII Exercice 4.19 Fractionnement isotopique et géothermomètre 126 Exercice 4.20 L'équilibre isotopique entre phases minérales 127 Exercice 4.21 Influence du rapport eau/roche 129 Exercice 4.22 Étude d'un système fermé: les expériences d'illitisation 130 Datations potassium-argon et argon-argon 131 Exercice 4.23 Fermeture du système potassium-argon dans les phyllosilicates 131 Exercice 4.24 Comment identifier les systèmes fermés et les systèmes ouverts? 132 Exercice 4.25 Isochrone et datation , 133 Exercice 4.26 Comparaison des rapports ,oK/'°Ar et '°ArP'/Ar 134 Exercice 4.27 Datation des sédiments (mélanges argiles détritiques et néoformées) 135 Exercice 4.28 Âge stratigraphique et âge de la diagenèse 136 CHAPITRE 5. Les minéraux argileux des roches altérées et des sols ... 139 Les argiles des sols 139 Exercice 5.1 Altération supergène et sols: un seul système ou deux systèmes distincts? 139 Exercice 5.2 L'argilogenèse dans les sols: mise en évidence 141 Exercice 5.3 L'argilogenèse dans les sols: influence du temps 143 Exercice 5.4 L'identification d'une réaction minérale dans les sols 144 Exercice 5.5 La réaction chlorite ~ minéraux expansibles: influence du temps 145 Exercice 5.6 La réaction d'illitisation : influence du temps dans les sols de polders 146 Exercice 5.7 Les réactions minérales liées à la mise en culture des sols 147 Exercice 5.8 Minéraux argileux typiques des sols: smectite-vermiculite hydroxy-alumineuse 148 Exercice 5.9 Mécanismes de formation des smectites-vermiculites hydroxy-alumineuses .. 149 Exercice 5.10 La complexité des assemblages argileux dans les sols 151 Exercice 5.11 L'évolution minéralogique dans un sol sur granite 153 Exercice 5.12 Les argiles dans les sols arides 154 Exercice 5.13 Latérites, cuirasses et bauxites 154 L'altération de quelques minéraux primaires (saprock) 155 Exercice 5.14 L'altération des biotites 155 Exercice 5.15 L'altération des muscovites 157 Exercice 5.16 L'altération des cWorites 158 Exercice 5.17 L'altération des feldspaths potassiques 160 Exercice 5.18 L'altération des plagioclases 161 Exercice 5.19 L'altération des amphiboles 162 Exercice 5.20 Les pseudomorphoses (pyroxène transformé en talc) 163 Exercice 5.21 Les olivines pseudomorphosées en iddingsite 164 Exercice 5.22 L'altération des glauconies 165 Minéraux argileux de néogenèse dans les saprolites 167 Exercice 5.23 L'illite des saprolites sur granite 167 Exercice 5.24 Les vermiculites trioctaédriques des saprolites sur gabbro 168 Exercice 5.25 La nontronite des saprolites sur lherzolite serpentinisée 169 VIII LES ARGILES PAR LA PRATIQUE CHAPITRE 6. Les minéraux argileux des roches sédimentaires 175 Formation des sédiments 175 Exercice 6.1 Le transport à partir des bassins-versants (Gibbs, 1967) 175 Exercice 6.2 La variation de composition des sédiments déposés dans le delta Exercice 6.3 Les surcroissances de smectite sur des particules argileuses détritiques Exercice 6.9 Définir un système chimique discriminant pour les argiles ferrifères de l'Amazone 175 enmilieumarin ...............................................176 Exercice 6.4 Les néogenéses d'argiles dans les lacs salés 177 Exercice 6.5 Le mécanisme géochimique de la néogenése 178 Exercice6.6 Lesdépôts debentonite. ........................................ 180 Exercice 6.7 Bentonites et tonsteins 182 Exercice 6.8 Les argiles des fumeurs noirs 182 et alumineuses 183 Exercice 6.10 La composition des glauconies 185 Exercice 6.11 Glauconies et argiles ferrifères marines 186 Exercice 6.12 Durée du processus de glauconitisation 187 Exercice 6.13 Relation Fe-K dans les glauconies 188 Diagenèse -Métamorphisme de bas grade 189 Séquence des smectites alumineuses-illite 189 Exercice 6.14 Les réactions diagénétiques 189 Exercice 6.15 La cinétique de la réaction d'illitisation 190 Exercice 6.16 La croissance durant l'illitisation des cristaux d'IlS 191 Exercice 6.17 La composition. magique *de l'illite diagénétique 192 Exercice 6.18 Mécanisme cristallochimique de l'illitisation 193 Exercice 6.19 Vers un modéle de croissance des cristallites en cours d'illitisation 194 Exercice 6.20 Âge de dépôt et âge de la diagenèse 195 Exercice 6.21 La signification des âges des ilIites diagénétiques 196 Exercice 6.22 L'illitisation des bentonites 197 Exercice 6.23 Âge des fractions granulométriques des bentonites diagénétiques 198 Diagenèse des argiles autres que les smectites dioctaédriques 200 Exercice 6.26 La composition des argiles ferro-magnésiennes dans la diagenèse Exercice 6.27 L'analyse d'une série de transformation saponite --4 chlorite Exercice 6.24 La transition kaolinite-dickite 200 Exercice 6.25 L'origine de la dickite 200 des basaltes 201 (caldera Ohyu, Japon) 203 Exercice 6.28 Le problème de la corrensite 203 TABLE DES MATIÈRES IX CHAPITRE 7. Les minéraux argileux des systèmes hydrothermaux 20S Champs géothermiques actifs 20S Exercice 7.1 Transfert de chaleur: conduction et convection 20S Exercice 7.2 L'altération pervasive de type propylitique 206 Exercice 7.4 Altérations hydrothermales dans le champ géothermique de Chipilapa, Exercice 7.9 Origine des smectites trioetaédriques magnésiennes (champ géothermique de MiJos, Grèce) 21S Exercice 7.3 Les équilibres dans la solution solide des chlorites 207 Salvador. 20S Exercice 7.S Les argiles dans les forages CH 7bis et CH S 209 Exercice 7.6 Les smectites alumineuses dioctaédriques dans les champs géothermiques 211 Exercice 7.7 L'origine des montrnorillonites et beidellites de Bouillante 212 Exercice 7.8 Les illites du champ géothermique de Bouillante 213 Champs géothermiques fossiles 216 Exercice 7.10 Systèmes hydrothermaux acides 216 Exercice 7.11 Les systèmes hydrothermaux à donbassite-tosudite : le gisement de kaolin d'Échassières (France) 218 Veines et filons 220 Exercice 7.12 L'altération des basaltes sous-marins au contact avec l'eau de mer Exercice 7.13 Formation de zones d'altération autour de veines hydrothermales dans l'atoll de Mururoa (polynésie Française) ., 220 dans un granite de Parthenay (France) 222 Exercice 7.14 Le métamorphisme thermique des bentonites 224 CHAPITRE 8. Les minéraux argileux des extrêmes 20S Argiles des hautes températures -hautes pressions 227 Exercice S.I Les conditions de déshydratation des smectites 227 Exercice 8.2 Les domaines d'existence des smectites AI et Mg dans l'espace pression-température 228 Argiles magmatiques 229 Exercice 8.3 La pétrologie des basaltes 229 Exercice 8.4 Teneurs en REE des argiles 231 Exercice 8.S Textures et paragenèses des argiles magmatiques de coulées subaériennes, sous-marines et de filons (dyke) basaltiques 232 Argiles des zones de subduction 233 Exercice 8.6 Transition sismique-asismique dans les zones de subduction. . . . . . . . . . . . .. 233 Exercice S.7 Avant subduction, état de la croûte océanique 23S Exercice 8.S Serpentine et chlorite dans le manteau 236 X LES ARGILES PAR LA PRATIQUE Argiles extraterrestres 237 Exercice 8.9 Les argiles dans les chondrites carbonées 237 Exercice 8.10 La diversité des argiles martiennes 238 Exercice 8. II Les argiles marqueurs de l'histoire géologique de Mars 239 Exercice 8.12 Les argiles dans les météorites martiennes 241 Conclusion 245