genie civil et geotechnique

Les minéraux argileux résultent soit de l’altération physique c-à-d de la désagrégation d’une roche préexistante (minéraux primaires); soit de l’altération chimique (minéraux secondaires). Dans ce cas, ils sont formés par transformation d’un minéral (minéraux transformés) ou par précipitation à partir d’une solution (minéraux néoformés). Les modes de formation des argiles sont repris schématiquement dans les figures 5.1 et 5.2. En résumé, il existe 3 modes de formation des minéraux argileux, issus de mécanismes différents (Fig. 5.3). Chacun des modes donne des informations différentes

Heritageno changeclay mineral= parentmineralRejuvenationIncorporation of K+or Mg 2+ in a sligthly altered clay mineralopen illite+ K+= closed illitevermiculite+ Mg 2+ = chloriteDegradationNew mineral with the same structureopen illite =closedillite + K+(rejuvenation)Different mineralopen illite+ Mg2+= Mg chloriteAggradationNeoformationCombination of ions in solutionLossof K+ or Mg 2+ closedillite -K+= open illitechlorite -Mg 2+ = vermiculiteTransformation

L’origine majeure des minéraux argileux est liée à l’altération, suivie de l’érosion, du transport et de la sédimentation, de formations géologiques et pédologiques exposées à la surface terrestre. Tous les processus superficiels résultent de l’interaction entre les roches (lithosphère), l’air (atmosphère), l’eau (hydrosphère) et les organismes (biosphère) sont regroupés sous le terme d’altération. L’altération inclut les mécanismes résultant de la fragmentation des roches, la production de substances dissoutes et le développement de profils pédologiques.

L’altération tend à atteindre un état d’équilibre si les conditions environnementales restent stables. Par exemple, dans le développement d’un sol, les 2 processus (i.e., altération physique et chimique) se combinent. L’altération physique permet la fragmentation de la roche-mère. Ensuite la percolation d’eau va progressivement modifier la composition de la roche-mère et des horizons pédologiques vont se développer au fur et à mesure de l’altération. La figure 5.4 présente la structure idéalisée d’un sol avec la définition de ses différents horizons. Les minéraux argileux sont les constituants majeurs dans les sols (Tab. 5.1).

L’altération chimique comprend 4 types de réactions selon la composition de la solution d’attaque (Tab. 5.2).

Le degré d’altération va dépendre de la combinaisons de plusieurs facteurs qui vont déterminer la nature des minéraux secondaires formés. (Fig. 5.5).

Le degré d’altération va augmenter en fonction du taux de précipitation, du relief mais aussi en fonction du temps (i.e., durée des processus - Fig. 5.6).

Par exemple, en climat tempéré humide, on peut schématiser l’hydrolyse en 3 étapes (Fig. 5.7):

L’intensité de l’hydrolyse donne des minéraux secondaires de moins en moins riches en cations, surtout les mobiles, et des solutions de plus en plus chargées. Selon les conditions de drainage et d’évacuation des solutions, différents minéraux argileux vont se former. Pour un drainage peu intense, les minéraux secondaires conservent un rapport Si/Al élevé (rapport de 2 = bisiallitisation) conduisant à la formation de minéraux argileux de type 2/1 (smectites). Un drainage moyen permet la formation de minéraux de type 1/1 (kaolinite) par un processus appelé monosiallitisation (Si/Al = 1). Lorsque le drainage est intense, toute la silice est évacuée (processus d’allitisation). Les minéraux secondaires ne sont plus des argiles mais des oxydes (gibbsite).

Le degré d’hydrolyse dépend des conditions climatiques (Fig. 5.8a).

Très schématiquement, on observe des bandes d’altération parallèles aux latitudes (et altitudes). En effet, la distribution des sols est principalement zonale, fonction des précipitations annuelles et de la température. Notons que la distribution climatique va également influer sur le type de végétation, la densité de la végétation, l’intensité de l’activité biologique dans les sols. Ces paramètres vont aussi jouer sur le degré d’altération. Par exemple, sous climat désertique sec subtropical, il y aura peu d’altération chimique malgré la température élevée.

La figure 5.8b montre la nature des minéraux secondaires observés dans les sols selon un transect latitudinal du pôle à l’équateur. (a) En climat froid, l’altération physique domine, les sols sont peu évolués, peu épais avec uniquement un horizon C. Les minéraux argileux sont essentiellement des minéraux primaires (illite, chlorite). (b) En climat tempéré et humide, La température moyenne et les précipitations comprises entre 500 et 1000 mm/a permettent une altération chimique significative. Un sol se développe sur 10 à 150 cm. Les argiles. Les argiles secondaires sont de type 2/1, résultant d’une pseudo-bisiallitisation en climat tempéré (vermiculites) ou d’une bisilallitisation (smectites) si la température est plus élevée et le contraste saisonnier plus important. (c) En climat froid et humide, le sol (podzol) sera complètement lessivé avec un horizon A constitué uniquement de silice, un horizon B argileux (smectite, illite et intestratifiés). (d) En climat chaud et humide, l’hydrolyse sera active, et conduira à une monosiallitisation (kaolinite). Globalement le processus de

bisiallitisation domine, représentant 2/5 des sols. Le tableau 5.4 donne les minéraux argileux Table 5.4 – Argiles des sols (Weaver,

bles seront présents uniquement dans les premiers stades d’altération, les plus résistants domineront les derniers stades (Tab. 5.5). En 1963, Jackson a proposé de classer les minéraux en 13 stades selon le degré de stabilité, du moins stable (valeur arbitraire de 1) au plus stable (valeur de 13). Dans cette séquence idéalisée (Fig. 5.11a), les minéraux parentaux sont des micas (muscovite, biotite, illite); les minéraux transitoires sont des phases simples (smectite, vermiculite) ou interstratifiés chlorite-vermiculite ou intergrades. associés aux différents types de sols. 1989). Séquence d’altération atériaux les plus fins des sols. Les minéraux les moins sta

Notons que dans les sols, les argiles peuvent être très différentes des minéraux synthétisés ou trouvés dans des dépôts purs (Fig. 5.11b). On trouve par exemple dans les sols une vermiculite particulière. Cette vermiculite des sols comporte des hydroxyles d’Al dans les espaces interfoliaires et des oxides (goethite, hématite) où l’Al est remplacé par le Fe. En 1949, Pearson & Ensminger ont observé dans un sol aux USA un minéral caractérisé par un espace basal de 14A mais avec des propriétés différentes d’une vermiculite, smectite ou chlorite. Ce minéral résulte de l’altération d’une phase vermiculitique ou smectitique. La présence d’hydroxyles d’Al (ou piliers aluminique) limite la fermeture des feuillets à 10A au chauffage et diminue la capacité d’échange. Par la suite, ces minéraux ont été identifiés dans de nombreux sols, surtout dans la fraction argileuse la plus grossière (0.2 à 2 microns).

La séquence donne une succession d’étapes (ou de phases) qui se développent avec une perte en Fe, Mg et Si et une augmentation de la stabilité des minéraux. Les flèches indiquent les chemins d’altération possibles d’un minéral à un autre avec les retours éventuels. Les derniers stades de 11 à 13 ne sont pas considérés sur la figure (Fig. 5.11a).

De plus, la séquence est supposée réversible alors que l’altération peut s’arrêter à n’importe quel stade. Certains minéraux sont plus sensibles à l’altération (smectite, vermiculite, interstratifiés) que d’autres (chlorite, illite, biotite, muscovite) et des déphasages dans le degré d’altération peuvent apparaîtrent. L’altération est progressive, tous les minéraux n’atteignent pas le même stade simultanément. La séquence sous-estiment l’importance des minéraux interstratifiés. A partir d’une compilation des séquences d’altération reportées dans la littérature, J. Thorez a proposé une version plus complète de la séquence de Jackson, sous forme d’un bloc diagramme (Fig. 5.12). Les minéraux parentaux (illite, chlorite) sont reportés à 2 extrémités; les minéraux transitoires, principalement des interstratifiés, sont représentés au niveau des panneaux latéraux et diagonaux; les minéraux finaux (smectite, vermiculite) aux 2 autres extrémités. Les chemins d’altération sont encore plus complexe. La figure 5.13, par exemple, présente les 13 voies d’altération possibles pour une chlorite (Thorez, 1986). La figure 5.14 présente le lien entre les tendances dans la séquence d’altération et les conditions climatiques (drainage, humidité).

O dans figure 5.15a ou Nareprennent qu’un nombre limité de cations (e.g., K_{2O, Al2O3, SiO2, H22O, Al2O3, SiO2, H2O dans} figure 5.15b). Si un autre cation intervient, d’autres phases vont précipiter. Domaines de stabilitédes minéraux secondaires pour le système K2O-Al2O3-SiO2-H2O avec K+/H+= 4, 25°C –Weaver, 1989.

La figure 5.17 présente les résultat de plus de 400 analyses de sols échantillonnés selon un transect E-W, entre la Dead Valley et la Californie (USA). Tous les échantillons ont été prélevé dans des conditions de température identique en choisissant des échantillons à des altitudes différentes selon le lieu. La fraction argileuse (< 2 microns) a été analysée par DRX. Globalement la distribution des argiles sont identiques pour une roche-mère acide ou basique (excepté pour l’illite). La montmorillonite s.l. ne se développe dans les sols que pour des précipitations faibles (i.e., inférieures à 40 inches, particulièrement abondantes < 10 inches). Kaolinite, vermiculite et gibbsite sont bien représentées lorsque les précipitations sont abondantes (> 40 inches). L’illite, par contre, n’est présente que dans des sols développés sur substrat acide sous des conditions de faible précipitation (probablement lié à la disponibilité du K).

La figure 5.18 illustre la relation entre le type de roche magmatique et la minéralogie des argiles secondaires.

L’intensité de l’érosion peut être enregistrée dans la composition des minéraux argileux (Fig. 5.25). Dans un environnement tectonique actif, les minéraux seront principalement transportés intacts vers le bassin de sédimentation, avec donc une dominance des processus d’héritage. Dans un environnement sans perturbation tectonique, le bassin collecte les solutions issues de l’altération avec seulement quelques particules argileuses héritées. Les processus de néoformation domine. Pour une situation intermédiaire, les minéraux argileux auront une origine mixte, transformés et néoformés.

Le tableau 5.11 présente l’évolution de la minéralogie des argiles dans des paléosols quaternaires. Les argiles qui se développent sur un sol interglaciaire montrent une augmentation des minéraux interstratifiés, vermiculites, des smectites dégradées et parfois de la kaolinite par rapport aux dépôts glaciaires caractérisés plutôt par des minéraux primaires (chlorites, illites). Dans un paléosol, les effets de l’altération augmentent selon l’âge des dépôts.

Par exemple en Touraine (France), des sols formés sur des dépôts éoliens et fluviatiles montrent une diminution des minéraux primaires fragiles et une augmentation des minéraux secondaires du Pléistocène au Pliocène. Les figures 5.26a et b illustrent l’évolution de la

minéralogie des argiles dans des paléosols d’âge tertiaire. Dans la figure 5.26a, Thiry et al. (1977) ont mis en évidence une formation successive de smectite, smectite-kaolinite et kaolinite de la base vers le sommet de profils pédologiques éocènes développés sur des craies du Bassin de Paris en fonction de conditions hydrolysantes croissantes. Une couverture de kaolinite (latérite) coiffe généralement les sédiments crétacés ou les roches plus anciennes et correspond aux conditions hydrolysantes au Paléogène.

La figure 5.26b présente également un paléosol tertiaire recoupé en sondage développé sur la ride médio-atlantique Islande-Faeroe (Atlantique Nord). Le sondage recoupe environ 470m de sédiments Eocène à Oligocène et de dépôts glacio-marins Plio-Pléistocène. La minéralogie et la géochimie évoluent au cours de la séquence sédimentaire. En particulier, les feldspaths, pyroxènes et magnétites du basalte sont successivement remplacés par des montmorillonites, puis des kaolinites, hématites et goethites. On constate une diminution vers le haut du profil de Si, Fe2+, Mg, Ca, Na, K balancée par une augmentation de Al, Fe3+ et Ti. Ceci démontre que la ride médio-atlantique était émergée à l’Eocène et a été soumise à un climat chaud et humide qui a permis la latéritisation. La subsidence et la submersion de la ride à la fin de l’Eocène est responsable de l’arrêt de la séquence d’altération et la préservation du profil pédologique sous la couverture de sédiments marins.