Argiles

 

ETYMOLOGIE


"Argile" vient du latin argilla (prononc. g dur), emprunt probable au grec argillos, de même racine que argentum (arguus : éclat, blancheur). Argillos est probablement apparenté à argos " d'une blancheur éclatante " et au latin argentum (argent). De arguus vient le verbe arguere, archaïquement " faire briller, éclairer ", puis au figuré " démontrer " et " convaincre ".

ORIGINE

Il semblerait qu'à l'origine, la terre était une masse de matières en fusion, dont la surface en refroidissant s'est solidifiée en couche mince, comme la peau se forme à la surface du lait qui vient de bouillir. Lorsque la surface était encore liquide, les matières lourdes comme les métaux avaient tendance à s'enfoncer vers le centre, ce qui laissait en surface des matériaux d'une composition assez uniforme, qui se sont refroidis et durcis en formant ce que l'on appelle les roches ignées et les minéraux.
- Le NOYAU de notre terre, épais d'environ 3.500 km, serait composé de fer et de nickel liquides ;
- Puis vient une couche de nickel et de magnésium visqueux d'environ 2.800 km d'épaisseur, appélée le MANTEAU ;
- Enfin, la croûte ou ECORCE, mince peau d'une épaisseur variant entre 10 et 70 km, se compose de trois couches solides :

1- la couche inférieure basaltique, qui forme le fond des océans, essentiellement constituée de magnésium et de silicium,

2- la couche supérieure granitique ou croûte continentale,
à 75% de silicium et d'aluminium, ces deux oxydes étant les principaux éléments de l'argile,

3- la zone superficielle sédimentaire.

 

D'après Véronique Skawinska, Le livre de l'argile
La genèse des argiles obéit à trois mécanismes principaux :

  • Héritage (local ou déplacé) à partir des silicates assemblés en roches et arrivés en surface par le jeu de la tectonique : granites, gneiss, micaschistes, schistes, laves, puis feldspaths et micas,


  • Transformation ( deuxième génération, nouveau statut en équilibre avec le nouveau milieu, agradation ou dégradation )


  • Néoformation ou authigénèse.
    On peut ajouter la diagénèse, et le métamorphisme.


STRUCTURE

Pour le géologue, "les minéraux argileux qui forment les roches argileuses ou argiles sont l'état superficiel des silicates de l'écorce terrestre ". Un toucher assez doux à l'état sec, une malléabilité à l'état humide, et une affinité pour l'eau se traduisant par le fait que le matériau sec happe à la langue.
Pour l'agronome, l'ingénieur du génie civil et le physicien, "l'argile est constituée par l'ensemble des particules minérales ayant une taille inférieure à deux microns".L'argile est un produit fin, dont les constituants sont invisibles à l'oeil ou à la loupe, et très difficiles à distinguer au microscope. De délicates observations au microscope polarisant ont permis les premières observations. Les argiles sont toutes des SILICATES simples ou complexes d'ALUMINIUM, MAGNESIUM et FER principalement. Il existe une grande variété d'argiles qui diffèrent par

  • leur structure moléculaire, cristalline,

  • leur composition chimique


La différenciation se fait essentiellement par diffractométrie aux rayons X, les autres analyses possibles telles que chimiques, thermiques différentielles, microscopie électronique, ne servant qu'à préciser tel ou tel point sur une argile donnée. En faisant traverser une couche mince du minéral par un faisceau de rayons X qui arrivent sous une incidence variable, on enregistre les angles de diffractions qui correspondent aux espaces inter-réticulaires, c'est à dire à la dimension de la maille moléculaire. Chaque type d'argile est ainsi défini par la présence de pics sur les enregistrements, à des positions bien déterminées, par exemple 10,5 A° pour l'attapulgite, 7 A° pour la kaolinite, 10 A° pour l'illite, 12 A° pour la sépiolite.La plupart du temps, les différentes variétés ne se trouvent pas pures dans la nature, mais en mélange entre elles, contaminées par du sable, du calcaire (carbonate de calcium), de la dolomie (carbonate de calcium et de magnésium), des éléments trace, des matières organiques, etc. Ainsi, un échantillon recueilli dans son gisement peut contenir 23% de sable, 13% de calcaire, 9% d'hydroxyde de fer et 55% d'une fraction argileuse vraie, cette dernière étant composée de 1/3 de kaolinite, 1/3 d'illite et 1/3 d'interstratifiés divers.Attention, l'analyse physique ou mécanique d'un sol définit comme"argile" la fraction granulométrique inférieure à deux microns. Or celle-ci contient, outre le minéral argileux proprement dit, des débris de quartz très fins (un à deux microns), de la silice plus ou moins hydratée, des oxydes de fer et d'alumine colloïdaux et des cristaux de calcaires très fins.Une ROCHE ARGILEUSE est une association de minéraux divers (sables, calcaires) parmi lesquels se trouvent un ou plusieurs minéraux argileux.
Un MINERAL ARGILEUX est une espèce minérale pure, à composition chimique définie, et aux propriétés fidèles.

PROPRIETES PHYSICO-CHIMIQUES

1) Propriétés Colloïdales

L'argile est un colloïde minéral, provenant de l'altération de la roche-mère. Dans une suspension colloïdale, les granules du colloïde ou micelles sont constituées de très grosses molécules ou d'amas de petites qui diffractent la lumière. Elles sont animées de mouvements browniens. Les micelles d'argile sont entourées d'une couche dense de charges électriques négatives. Cette couche est elle-même entourée d'un nuage de plus en plus lâche de charges de signe contraire, constitué d'ions positifs adsorbés (adsorbé = fixé sur), le plus souvent ions H+ et cations métalliques Ca++, Mg++, K+, Na+, NH4+.Dans l'état de dispersion (ou peptisation), le nuage d'ions entourant les micelles est très lâche, les ions sont très peu nombreux. Les charges électriques de même signe (négatif) entourant les micelles les contraignent à se repousser et se disperser dans tout le liquide. Celui-ci est trouble, car l'argile et l'eau, en mélange homogène, ne peuvent se séparer.Mais si l'on introduit un acide, qui libère des ions H+, ou un sel de calcium, qui libère des ions Ca++, ces ions positifs repoussent vers les micelles les ions positifs qui les entouraient. Ceux-ci, venant s'y accoler, neutralisent les charges négatives des micelles, qui peuvent alors s'agglutiner et se déposer. C'est la floculation, ou précipitation : les micelles argileuses se regroupent et se séparent aisément de l'eau. A l'inverse, un apport de bases libère des ions OH-, et provoque la dispersion, car ces ions négatifs éloignent les cations des micelles, qui de nouveau se repoussent mutuellement. Ces deux états, dispersion et floculation, sont donc réversibles. L'argile floculée peut se disperser à nouveau, si elle perd ses ions floculants. Sauf en cas de cuisson au four, dite pectisation ou coagulation.Attention, tous les cations n'ont pas le même pouvoir floculant dans les sols argileux. Parmi les cations métalliques du sol, Na+, K+ et NH4+ sont monovalents. De plus, ils sont, surtout Na+, entourés d'une couche d'eau importante. En présence d'eau douce, le sodium agit sur l'eau pour former de la soude, base forte très dissociée, de sorte que la quantité d'ions OH- s'élève, ce qui rend le milieu alcalin, et disperse l'argile. Le sodium a donc une action dispersante. Néanmoins, l'excès de sodium flocule l'argile, les boues d'un fleuve précipitent au contact de l'eau de mer.En revanche, Ca++ et Mg++ sont bivalents, et entourés d'une faible couche d'eau, (surtout Ca++, Mg++ est nettement plus hydraté), ils assurent donc une floculation énergique de l'argile. Ainsi le chaulage ou amendement calcaire des sols argileux est-il obtenu par l'apport de chaux. Base faible, peu dissociée, celle-ci donne peu d'ions OH-, et ses cations Ca++ floculent facilement l'argile.

2) Structure

La plupart des minéraux argileux sont en formes de feuilles, d'où leur nom de phyllites ou phyllosilicates. D'autres minéraux argileux, les pseudo-phyllites, sont dits fibreux, car ils sont composés de rubans alternants en brique creuse.Un minéral de structure phylliteuse se présente sous forme d'une poudre fine, dont les particules sont très petites, de 0,01 à un micron. Chaque particule, nommée cristal ou phyllite (feuille), de forme hexagonale ou irrégulière, est constituée d'un empilement de quelques dizaines ou centaines de feuillets. La constitution chimique, l'épaisseur (de l'ordre du nanomètre) et l'écartement de ces feuillets (selon l'état d'hydratation, sept à vingt angströms, un A° = 1 millionnième de millimètre) définit le type minéral de l'argile, et ses propriétés.La structure des feuillets est déterminée par l'arrangement des oxygènes et des hydrogènes, de taille très supérieure à celle des cations, ces derniers pouvant se situer dans deux types de cavités, tétraédriques et octaédriques. Ainsi, le feuillet est-il formé par la répétition horizontale d'unités élémentaires en couches planes : couches de tétraèdres à coeur de silicium et couches d'octaèdres à coeur d'aluminium. Atomes de silicium partageant leurs quatre charges positives avec quatre atomes d'oxygène (très fortes liaisons de la couche de silice avec ses deux couches externes d'alumine dans les smectites), et atomes d'aluminium liés à six oxygènes et groupements OH, ou oxydriles (liaisons assez fortes des OH de la couche d'aluminium d'un feuillet de kaolonite avec la couche de silice du feuillet suivant).

3) Ionisation

Les charges négatives des micelles d'argile ont une double origine :

  • les valences non satisfaites à la périphérie des micelles, soit aux extrémités des feuillets (atomes d'oxygène), soit sur les surfaces extérieures plates (groupements OH des feuillets de kaolonite)

  • les "substitutions". Les atomes de silicium et d'aluminium des feuillets peuvent être remplacés par des atomes de valence plus faible.


Ainsi, dans les smectites bedeillitiques, remplacement en position tétradrique, d'atomes de silicium (Si++++) par des atomes d'aluminium (Al+++), d'où l'apparition d'une charge négative non compensée d'un atome d'oxygène. Dans les smectites montmorillonites, permutation partielle ou totale des ions aluminium, en position octaédrique, par le fer, le magnésium, le calcium, le manganèse, le zinc, le nickel (2+), créant des charges négatives à l'intérieur des feuillets. L'espace interlamellaire compris entre deux feuillets consécutifs rassemble alors des cations qui neutralisent l'excès de charges négatives du feuillet. Les minéraux qui contiennent dans la couche octaédrique des ions trivalents sont dits dioctaédriques, ceux qui contiennent des ions divalents sont dits trioctaédriques.Les micelles portent néanmoins quelques charges positives, à certains points de rupture des couches, ou lors de dissociations d'ions OH- (sur les couches externes d'alumine de la kaolonite, par exemple). Ces charges jouent un rôle important dans la fixation de certains anions, notamment les anions phosphoriques.La localisation et l'abondance des charges varient d'un type d'argile à un autre.La Kaolinite n'offre aucune substitution : elle ne présente de charges négatives qu'en bordure des feuillets, et sa capacité de fixation est faible.La Smectite montmorillonite a des substitutions dans la couche d'alumine, et ses feuillets, faiblement liés, peuvent s'écarter de 14 à 20 angströms : sa capacité d'échange et de fixation est élevée (dix à quinze fois plus élevée que celle de la kaolinite), les ions pouvant se fixer et s'échanger sur les surfaces extérieures, mais aussi intérieures, des feuillets.L'Illite, du fait de substitutions dans la couche de silice, a des feuillets énergiquement serrés, entre lesquels certains ions peuvent se fixer, mais sans pouvoir s'échanger (ions potassium "rétrogradés"). Sa capacité n'est que le double de celle de la kaolinite.

4) Capacité de fixation

Elle est liée à l'existence des charges, et à la surface spécifique ou surface d'échange. Par leur viscosité plastique, les argiles présentent un pouvoir d'étalement et un pouvoir de division définis in vitro par les mesures de surface spécifique réalisés par adsorption gazeuse. Les valeurs observées sont en faveur de l'attapulgite (surface spécifique de l'attapulgite 140 m2 par gramme, de la bedeillitique 80 m2 par gramme) et s'expliquent par la structure en tunnels de cette argile. Pour les smectites, la capacité de fixation est très importante, grace aux charges (négatives des feuillets, positives entre les feuillets) et à la surface spécifique considérable de 100 m2 pour un gramme.Ces interactions peuvent se faire en trois sites différents :

  • dans les feuillets pour les ions simples, entre les feuillets pour les molécules plates ou petites,

  • à la périphérie pour les macromolécules.

Il faut bien différencier la surface externe ou surface de recouvrement, qui définit le pouvoir couvrant, de la surface interne.

  • kaolinite : SE = 10 à 30 m2, SI = 0

  • illite et montmorillonite : SE = 80 m2, SI = 800 m2
    (d'après Dominique Soltner, Les bases de la production végétale)

TABLEAU COMPARATIF DE QUELQUES ESPECES MINERALES

KAOLINITE ILLITE SMECTITE
SiO2 44,81 à 46,90 49,26 à 54,09 45,12 à 57,55
Al2O3 37,02 à 37,82 24,90 à 28,97 15,96 à 28,24
Fe2O3 0,27 à 0,92 0,78 à 6,20 0,06 à 6,35
FeO 0,06 à 0,11 0,57 à 1,70 0,30 à 0,95
MgO 0,24 à 0,47 2,00 à 4,48 2,32 à 6,53
CaO 0,13 à 0,52 0,00 à 0,69 0,50 à 3,28
K2O 0,49 à 1,49 6,08 à 7,98 0,11 à 0,60
Na2O 0,05 à 0,44 0,13 à 0,33 0,04 à 2,75
TiO2 0,18 à 1,26 0,05 à 1,02 0,10 à 0,32
H2O- 0,61 à 1,55 3,22 14,81 15,77
H2O+ 12,18 à 14,27 6,03 à 7,88 7,46 à 8,53

 

ILLITE : faiblement dosée en alumine (9%), tendance calcique (14%), riche en fer (près de 9%), à bon pouvoir d'absorbtion ( environ 25% ) et faible pouvoir d'adsorbtion (moins de 10 meq/100 g), donc excellente anti-oedèmateuse mais peu reminéralisante.

MONTMORILLONITE : forte concentration en silice ( 54,67% ), très fort pouvoir adsorbant qui varie de 80 à 150 meq/100 g, à pouvoir d'absorbtion plus faible (environ 20%), donc très reminéralisante et détoxicante.
(selon Jean-Pierre Guénot, Les Argiles)

Groupe de Travail l'Homme et l'Argile
Courriel : lhomme.et.largile@free.fr

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