Pédologie 7

7. COMPLEXE D'ALTERATION/LES ARGILES

7.1. Origine

Les argiles minéralogiques sont issues de modifications lentes des minéraux primaires par altération ( les minéraux primaires les plus souvent concernés sont : Feldspaths, micas, pyroxènes et amphiboles ) ou  d'un processus d'héritage par rapport aux minéraux primaires.

L'altération, selon son degré d'avancement correspond à deux modalités : 

- transformation des minéraux primaires

- néoformation à partir des produits de l'altération avancée des minéraux primaires

Les argiles sont les constituants majeurs du complexe d'altération.

7.2.Généralités

Les argiles présentent une structure finement cristalline en feuillet dont la composition chimique, l'épaisseur et l'écartement des feuillets sont caractéristiques pour un type donné 

Les argiles sont douées de propriétés particulières : par leurs charges négatives, elles retiennent des cations sous forme échangeable ( voir plus loin CAH); certaines ont la capacité d'absorption  de l'eau dans leurs feuillets, ce qui provoque d'importantes variations de volume entre les saisons sèches et humides (argiles gonflantes). Comme des colloïdes, elles peuvent se trouver dans le sol à l'état dispersé (en milieu fortement alcalin par exemple) ou à l'état floculé (en présence de cations plurivalents floculants Ca++ , Al3+) et jouent de ce fait un grand rôle dans la formation d'agrégats dont elles constituent avec la matière organique, les ciments ( voir structure),  Caillère et al (1982)

7.3 Composition 

Les argiles (phyllosilicates) sont des silicates d'Alumine +/- hydratés, microcristallins, à structure en feuillets ( phyllites ). leur formule générale très simplifiée est :

n SiO2 Al2O3 m H2O , ces silicates sont caractérisés par leur rapport silice/alumine : R = SiO2/Al2O3 qui varie entre 2 et 5 et sert a caractériser le type d'argile

Les feuillets sont constitués par l'association d'une couche aluminique ou magnésienne à configuration octaédrique avec une ou deux couches silicatées à configuration tétraédrique.

Ce sont donc des phyllosilicates d'aluminium dont les feuillets sont constitués de couches d'octaédres Al(OH)6 et de couches de tétraédres SiO4 reliées par les atomes O et OH mis en commun. La distance inter-réticulaire d sépare 2 feuillets successifs. Les substitutions d'atomes sont fréquentes dans les feuillets. L' édifice cristallin peut être désorganisé (la cristallinité est moins bonne). D'autre part, il y a des déséquilibres au niveau des charges; ce déséquilibre est compensé par adsorption de cations dans l'espace interfoliaire (capacité d'échange des argiles).
 Daprès la structure du feuillet, on distingue principalement les argiles 1/1 (1 couche tétraédrique+1 couche octaédrique) et les argiles  2/1 (2 tétra. pour 1 octaédrique).

7.4 Classification

Sur base des critères repris à 5.3 on distingue grossièrement :

a) la Kaolinite ( 1/1, d=7A°).2SiO2 Al2O3  2H2O

Pas de substitution dans les couches. Le feuillet est neutre. La kaolinite se forme dans les sols bien drainés, par pH acide, surtout en climat subtropical et tropical. Ses cristaux sont souvent grand (jusqu'à 15 µm). Ce sont les argiles les plus pauvres en silice R=2 avec un faible pouvoir sorbant ( 3-15 méq/100 gr. terre ). Les propriétés colloïdales sont peu accentuées. Les feuillets sont plus ou moins fixes les un par rapport aux autres, ce qui empêche la fixation d'eau et de sels minéraux dans leur intervalle. L'absorption de bases et le gonflement sont donc réduits. C'est une argile caractéristique des régions tropicales et équatoriales dont le sol est acide et pauvre en bases échangeables. 

b) les Smectites (2/1, d= 14 A°).4 SiO2 Al2O3 2 H2O

L'empilement des feuillets est désordonné; chaque feuillet est tourné dans son plan par rapport au précédent. Les substitution d'atomes sont importantes. Ce désordre et la faible charge des feuillets facilitent leur écartement et l'adsorption des molécules variées (eau, cations, molécules organiques) au niveau de l'espace interfoliaire qui s'écarte (d = 18 A°). Les smectites, ou montmorillonites, sont généralement calciques, plus rarement sodiques. Elles sont formées dans les sols mal drainés plutôt alcalins riches en bases échangeables. Les feuillets de smectites peuvent s'intercaler régulièrement ou irrégulièrement avec d'autres feuillets argileux, souvent illitiques. L'ensemble forme des interstratifiés.

Ce sont des argiles riches en silice R=4 , ce sont des argiles conférant aux sols de bonne propriété agricoles , pouvoir sorbant = 60-150 méq/100 gr. terre. Les propriétés colloïdales de ces argiles sont très marquées , absorption d'eau et fixation de cations interlamellaires. 

Ce sont des argiles typiques des régions tempérées, se formant en milieu riche en bases échangeables. 

c) les Illites (2/1, d=10A°)

Association d'une CO (alumineuse) et deux CT (siliceuses). Mais il peut y avoir des substitutions (remplacement de Si par Al). Des cations (K+) sont adsorbés dans l'espace interfoliaire afin de compenser le déséquilibre des charges. C'est le minéral ubiquiste par excellence. Sa structure est proche de la muscovite (plus d'eau, moins de K+). Leurs propriétés sont intermédiaires entre les deux classes précédentes, elles sont relativement riches en silice. Il faut distinguer par exemple, dans ce groupe la vermiculite à fort pouvoir gonflant dont le pouvoir sorbant = 60-150 méq/100gr. terre et se rencontrant en toutes régions, notamment en régions tempérées, de l'illite proprement dite à réseau fixé ( espace interlamellaire = 10 A°) ,faible pouvoir sorbant : 30-40 méq/100gr de terre de valeur agricole moyenne. Régions tempérées et particulièrement limons éoliens de moyenne Belgique.d) .La couche octaédrique des vermiculites contient du Fe et du Mg. 

d) les Chlorites (2/1, d= 14 A°).

L'espace interfoliaire est garni par une couche composée de Mg et OH. L'Al est remplacé localement par le Fe. Les chlorites existent en plus grands cristaux dans les roches magmatiques; elles sont également formées pendant la diagénèse des roches sédimentaires. Elles se retrouvent en éléments détritiques dans les sols sous climat peu agressif.

e) Les argiles fibreuses

Les feuillets sont discontinus et forment des rubans. Les principaux types sont la sépiolite et l'attapulgite ou paligorskite. On les trouve dans les milieux confinés.

7.5 charges des argiles 

Les minéraux argileux sont constitués de silicium, d'aluminium, d'oxygène et d'ions hydroxyles OH, organisés en couches, de deux types selon que les oxygènes ou hydroxyles sont associés en tétraèdre ou en octaèdres. Les couches de tétraèdres sont dominés par Si 4+ et O-. Celles d'octaèdres sont dominées soit par Al 3+ (= couches dioctaédriques, 2 atomes suffisent pour occuper les 6 sites des sommets de l'octaèdre) et OH-, soit par Mg 2+ (= couches trioctaédriques,3 atomes de magnésium sont nécessaires à l'équilibre des charges des octaèdres).
Les couches d'octaèdres et de tétraèdres s'accolent selon des plans, par mise en commun d'O et d'OH, d'où la structure en feuillets séparés par des espaces interfoliaires.
Du fait de possibles substitutions partielles de Si 4+ par Al 3+dans les tétraèdres, de Al 3+ par Mg 2+, Fe 2+ ou Fe 3+, dans les octaèdres, il peut apparaître des déficits de charges positives, déficits qui sont alors compensés par l'insertion de cations ou d'eau dans les espaces interfoliaires.
De tout cela découle une formule générale conventionnelle plus  précise que la précédente des minéraux argileux, du type :

 

( (Si4-x Alx)  O10   (Al2-y Mgy)   (OH)2 )  Kx+y
Couche tétraédrique  couche octaédrique  cation compensateur

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 (rupture SiO2 = Si4+, rupture Al3+), ou lors de dissociations d'ions OH- (sur les couches externes d'alumine de la kaolonite, par exemple) ou bien encore par l'introduction de Fe(OH)3 qui se coince entre deux feuillets et s'ionise différemment selon le pH et le potentiel d'OR de la solution du sol. Ces charges jouent un rôle important dans la fixation de certains anions, notamment les anions phosphoriques (PO43-, HPO42-, H2PO4-).

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.

 

 

7.6 Formation des argiles

La formation des argiles est le résultat tardif qui fait suite à un certain nombre d'altérations physiques, chimiques et biologiques qui affectent les roches massives jusqu'à ce qu'on appelle le complexe d'altération.

La désagrégation des roches se fait généralement à la suite de processus érosifs (eau de ruissellement, cours d'eau, glaciers, vagues, vents, etc.), de processus thermiques (alternance de températures élevées et basses, alternance du gel et du dégel, alternance de processus d'hydratation et de dessiccation, etc.) et de divers processus biologiques (racines, animaux fouisseurs, métabolisme des pédoflores et pédofaunes des sols, etc.) Tous ces processus sont favorisés, au moins dans les parties hautes ou superficielles des massifs rocheux, dès lors que les roches sont plus fissurées.

Le complexe d'altération dans le sol est généralement constitué des carbonates et bicarbonates de calcium, magnésium, sodium, potassium, de silice, de gels colloïdaux (hydroxydes de fer et d'aluminium) associés ou non aux acides organiques du sol et des argiles.

L'obtention de ces composés dans le complexe d'altération résulte de plusieurs processus chimiques comme :

- la dissolution des roches solubles ou calcaires. Dans ce dernier cas, la présence d'acide carbonique dans l'eau favorise largement cette dissolution. À terme, tout le calcaire d'un sol peut disparaître sous l'effet de pluies acides.

- L'hydratation, surtout des sels de fer. L'hématite (Fe2O3) de couleur rouge, une fois hydratée donne la goethite de couleur brune ; deux fois hydratée, donne la stilpnosidérite de couleur ocre et trois fois hydratée donne la limonite de couleur jaune.

- L'hydrolyse, surtout des minéraux silicatés (feldspaths, micas, amphiboles, pyroxènes, péridots, plagioclases, etc.) qui aboutit à la formation d'argiles. L'hydrolyse peut être acide (ions H+), c'est le cas sous l'action de l'acide carbonique, mais surtout sous l'action des acides organiques issus de la décomposition ralentie des matières organiques comme cela se produit en climat froid et en climat tempéré. Sinon l'hydrolyse est neutre ou alcaline (ions OH-) comme cela se produit en profondeur (hors de la portée des acides organiques) et sous climats chauds équatoriaux, tropicaux et méditerranéens. Par exemple, l'hydrolyse de l'orthose, principal feldspath des granites, selon qu'elle fait intervenir deux ou trois molécules d'eau conduit à la formation soit de montmorillonite, soit de kaolinite.

Comme il a été précisé précédemment, l'hydrolyse peut dépendre des conditions de climat régnant sur le milieu considéré. Mais l'hydrolyse dépend aussi d'un certain nombre d'autres facteurs comme le lessivage plus ou moins marqué, la capacité de drainage du sol ou bien encore de l'alternance de saisons marquées entre une saison humide et une saison sèche, cette dernière étant indispensable pour la genèse des argiles néoformées par recristallisation.

On parle d'hydrolyse totale lorsque tous les constituants d'une roche sont libérés. Dans les régions où règne un climat chaud et humide avec une saison sèche marquée, la recristallisation de l'argile sous forme de montmorillonite est fréquente. Cette néoformation d'argile n'est rendue possible que si les sols restent humides parce que mal drainés et si l'influence des acides organiques issus de la décomposition des matières organiques reste infime.

Si le milieu est plus acide et surtout mieux drainé, dans les mêmes conditions climatiques, les argiles néoformées sont des kaolinites.

Si le drainage et/ou l'acidité sont importants, la migration de la silice vers les profondeurs empêche tout néoformation d'argile. Les sols s'enrichissent en alumine et sont désignés comme des sols ferrallitiques.

On parle d'hydrolyse progressive ou incomplète lorsque les minéraux silicatés sont seulement modifiés, par exemple, par perte de silice, par entraînement des bases ou encore par hydratation. Les argiles produites sont dites héritées quand elles subissent peu de transformations et transformées si les modifications qui les affectent sont importantes.

Lorsque l'hydrolyse est neutre, le plus souvent dans des sols riches en Ca et Mg, les argiles néoformées sont très proches des minéraux qui leur ont donné naissance : par exemple, des illites à partir de micas ayant seulement perdu des ions K+. Dans ces conditions, on trouvera aussi des montmorillonites issues des illites par élimination totale des ions K+ ou bien, en sols riches en Mg, des chlorites magnésiennes.

Lorsque l'hydrolyse est acide, ce qui est le cas en milieu pauvre en bases, on parle d'acidolyse. Les argiles néoformées sont dites de dégradation. Ce sont des vermiculites, des vermiculites alumineuses ou des chlorites alumineuses.

Lorsque l'hydrolyse se fait en milieu très acide, ce qui est le cas en milieu froid et humide, on parle de complexolyse. Les acides organiques issus de la décomposition lente des matières organiques qui s'accumulent dans les litières forment des complexes solubles avec le fer et l'aluminium. Faute de constituants, non seulement, il n'y a pas d'argiles néoformées, mais les argiles encore présentes dans ces sols sont progressivement détruites. On parle de podzolisation pour des sols soumis à ces régimes de complexolyse.

7.6 Les trois grandes propriétés des argiles.

1) Pouvoir sorbant

Comme nous le savons maintenant, les argiles sont pourvues de charges électronégatives . Ces charges électronégatives proviennent soit de valences non équilibrées à la périphérie des micelles, soit de substitutions d'atomes dans les feuillets par des atomes de valence plus faiblece qui fait apparaître des charges négatives non compensées. Ces charges électronégatives confèrent le pouvoir de fixer plus ou moins énergiquement les cations minéraux H+ - Ca++ - Mg++-K+,Na+,Al3+,Mn2+    

Dans les argiles I/I ( kaolinite ) , les fixations se font uniquement en périphérie des cristallites 

Dans les argiles 2/1 ( montmorillonite, illite ) cette fixation peut également se faire dans les espaces interlamellaires, du moins pour les ions dont le diamètre est suffisamment petit pour leur permettre de pénétrer dans ces espaces

Cette propriété des argiles est leur pouvoir sorbant exprimé en milliéquivalents ( méq ).Ce pouvoir sorbant (ou capacité de fixation) est lié 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)

La surface de fixation et d'échange de l'argile est donc incroyablement développée par sa structure feuilletée. L'argile des sols étant un mélange des types précedemment décrits, sa capacité de fixation et d'échange dépend de la proportion de chacun de ces types.

2) Gonflement

Il existe deux types de gonflement des argiles :

- Dans certains types d'argile, des molécules d'eau peuvent s'introduire entre les lamelles et provoquer un élargissement de l'espace interlamellaire, par exemple les argiles 2/1.

- Pour toutes les argiles y compris celles dont le réseau est fixe, le gonflement est lié à l'absorption d'eau par les cations hydratés absorbés (ex : argiles sodique : gonflement considérable; argiles calcique : gonflement faible).

Lorsque la structure est bonne (état floculé),ce second processus est limité.Mais, par contre, morsque la structure est mauvaise ( état dispersé ), le gonflement suivi du retrait pendant la sécheresse, sera beaucoup plus prononcé.

3) Dispersion ou floculation

A l'état dispersé, l'argile forme un mélange homogène avec l'eau et elle tend à gonfler. Elle perd par conséquent son aptitude à souder les éléments et le sol prend un aspect compact, asphyxiant et difficile à travailler.

A l'état floculé, l'argile et l'eau se séparent et les micelles tendent à se condenser autour des éléments plus grossiers. Le sol reste perméable à l'eau, à l'air et le travail du sol est plus aisé. 

 

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Date de dernière mise à jour : 21/06/2014