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G1 GENESE ET DIAGENESE DES ARGILES.p

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G1 GENESE ET DIAGENESE DES ARGILES.p Powered By Docstoc
					       REPUBLIQUE ALGERIENNE DEMOCRATIQUE ET POPULAIRE
            MINISTERE DE L’ENSEIGNEMENT SUPERIEUR
                ET DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE
               UNIVERSITE KASDI MERBAH OUARGLA
                                                    VIE;
         FACULTE DES SCIENCES DE LA NATURE ET DE LA VIE;
              SCIENCES DE LA TERRE ET DE L’UNIVERS

                                    DES
                        DEPARTEMENT DES SCIENCES DE LA TERRE

             Exposé de module : méthodes d’étude des séries sédimentaires MESS

                                 Classe : 3èmeannée classic

                           Spécialité : Géologie de l’ingénieur



                                        Thème :

                   GENESE ET DIAGENESE DES ARGILES
                                      Présenté par :

                                    Omar Bakelli G1

                              Tidjani Ahmed Abdellah G1

                              Ben Moussa Abdelbasset G1




   Encadré par :

Mr. LAGHRIEB YOUCEF                                            UNIVERSITE OUARGLA




                             Année universitaire : 2010/2011


                                                                                    1
                                               SOMMAIRE




INTRODUCTION GENERALE

CHAPITRE 1. GENERALITES ET TERMINOLOGIE
1.1. Définition
1.2. Propriétés et utilisation
1.3. Terminologie

CHAPITRE 2. COMPOSITION MINERALOGIQUE
2.1 Principaux composants
2.2 Méthodes d'études
2.3 Les minéraux argileux

CHAPITRE 3. ORIGINE DES ARGILES
3.1 Héritage et altération
3.2 Néoformations en milieux confinés
3.3 Transformations des minéraux argileux


CHAPITRE 4. LES ARGILES DU SOL
4.1 Nature des minéraux argileux.
4.2 Propriétés et rôle des minéraux argileux

CHAPITRE 5. DIAGENESE
5.1 Introduction
5.2 Réactions diagénitique
5.3 Facteurs contrôlant la diagenèse


REFERENCES




                                                          2
           INTRODUCTION GENERALE


  L’etude des argiles est structuré en trois parties. La
 première partie décrit les argiles en tant que minéraux
     (composition chimique, structure). Après nous
     développerons les propriétés physico-chimiques
      spécifiques aux argiles ainsi que les méthodes
particulières d’identification. La seconde partie concerne
 l’étude des argiles au cours du cycle géologique. Nous
  aborderons les conditions de formation des minéraux
 argileux, de transport, de sédimentation et d’évolution
                 au cours de la diagenèse.




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                             CHAPITRE 1. GENERALITES ET TERMINOLOGIE




1.1. Définition

Roches composées principalement de silicates en feuillets (Phyllosilicates) d’ Al, plus ou moins
hydratés.
Les plus abondants des roches sédimentaires: 50% des sédiments (69 % des sédiments continentaux).
Constituants principaux des sols.
Formées de particules fines, de l'ordre du µm; techniques d'étude et de caractérisation délicates (RXD,
MEB, ATD)



1.2. Propriétés et utilisation

absorption d’eau
plasticité: déformation souple sous l'effet des contraintes, rôle de couche savon pour glissements des
matériaux à toute échelle (glissement de terrain, nappe tectonique)
compaction importante: expulsion d'une grande quantité d'eau. Les pores diminuent, la roche devient
imperméable
pouvoir adsorbant
dispersion dans l'eau et floculation: les particules fines restent en suspension dans l'eau agitée; elles
décantent dans l'eau immobile avec une vitesse de chûte trés faible (Loi de Stockes). En eau salée, elles
s'agglomèrent (floculation) et précipitent plus rapidement.

Loi de Stockes:

                                                 v = C d2

v: vitesse de chûte
d: diamètre de la particule
C: constante de Stockes dépendant de la différence de densité entre particule et liquide, de la viscosité
du liquide et de l'accélération de la pesanteur

                                     temps pour parcourir
                  diamètre (µm)                                    vitesse de chûte (cm/s)
                                        1 m (à 20°C)
                       60                  ( minutes                         0,3
                       16                 1 heure 12                        0,02
                       4                   19 heures                          .
                       2                3 jours 5 heures                      .
                       1                    13 jours                          .
                       0,1                1293 jours                          .

Tableau I: application de la Loi de Stockes à des particules sphériques.
                                                                                                            4
Intérêt économique:
* ciment (avec calcaire)
* céramiques: poteries, briques, tuiles
* pharmacie, cosmétique: excipient neutre, absorbant.
* pigments: ocres (argiles + oxydes de fer)




1.3. Terminologie

* Lutites: Sédiments fins (grains < 64 µm):
- limons de 1/16 mm à 1/256 mm, soit de 64 à 4 µm; surtout quartz
- argiles: > 1/256 mm
* siltites: limon (silt) induré (grés à grains trés fins)
* argilites: argiles compactées
* shales: argiles compactées fissiles




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                          CHAPITRE 2. COMPOSITION MINERALOGIQUE




2.1 Principaux composants

- Minéraux argileux (phyllosilicates) dominants
- Quartz: microquartz d'origine éolienne; jusquà 30% de la roche
- calcédoine, opale: forme mal cristallisée et hydratées de la silice; origine organique (plantes, plancton)
- oxydes et hydroxydes de fer: hématite, goethite
- sulfure de fer (pyrite) en milieu réducteur
- gibbsite (oxyde d'aluminium) sous climat chaud et humide)
- carbonates (calcite, dolomite)
- matière organique:

éléments figurés: pollens, spores, débris ligneux
matière amorphe (décomposition par bactéries)
La quantité de matière organique intervient est associé au degré d'oxydation du fer, donc la couleur:
M.O. abondante, milieu réducteur, fer réduit (ferreux), couleur noir, gris, vert.
M.O. absente: fer oxydé rouge.


Les argiles trés riches en M.O. évoluée en profondeur (kérogène) forment les roches mères
d'hydrocarbures.

2.2. Méthodes d'études

On sépare la fraction < 2 µm des particules plus grosses par décantation (loi de Stokes). On caractérise
les minéraux argileux par diffractométrie aux RX.

Tout corps cristallisé peut être analysé par diffraction de RX, car ses atomes sont arrangés selon des
plans cristallins spécifiques. Un faisceau de RX est diffracté sur un plan cristallin selon la loi de Bragg :




λ = longueur d'onde de la source
d = espacement entre 2 plans parallèles successifs du réseau cristallin
θ= angle entre le faisceau incident et le réseau de plans

Sur un diffractogramme, les pics correspondent aux différents rayons diffractés en fonction de
l'incidence du faisceau de RX. L'identification du minéral est donnée par la position d'un certain nombre
de pics caractéristiques qui permettent de calculer la distance entre les plans de diffraction. La forme du
pic renseigne sur l'état de cristallisation du minéral (cristallinité). Pour un mélange de plusieurs

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minéraux, la hauteur des pics est grossièrement proportionnelle à leur quantité.
Pour des minéraux ayant des distances interfoliaires proches, on fait subir des traitements aux
échantillons afin de les différencier. Un traitement classique consiste à imprégner l'échantillon de
vapeurs d'éthylène-glycol. Cette molécule organique est adsorbée dans les espaces interfoliaires des
smectites qui gonflent. D'autre part, le chauffage à 550 °C entraine la disparition de la kaolinite.

2.3. Les minéraux argileux

Ce sont 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).




Figure 1: structure des minéraux argileux.

                                                                                                                  7
a) la Kaolinite ( 1/1, d=7A°).
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).

b) 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+).

c) les Smectites (2/1, d= 14 A°).
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. Les feuillets de smectites peuvent s'intercalés régulièrement ou irrégulièrement avec d'autres
feuillets argileux, souvent illitiques. L'ensemble forme des interstratifiés.



d) la Glauconie
minéral vert ferrifère proche de l'illite exclusivement formé en milieu marin peu profond.

e) 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. On les retrouvent en éléments détritiques dans
les sols sous climat peu agressif.




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Figure 2: cristaux de chlorite et de kaolinite vus au microscope électronique à balayage.

f) la Vermiculite (2/1, d= 12 A°)
Fréquente dans les sols de la zone tempérée.La couche octaédrique contient du Fe et du Mg. La
vermiculite est proche des illites et chlorite mais montre des propriétés gonflantes.

g) 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.




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                                 CHAPITRE 3. ORIGINE DES ARGILES




3.1 Héritage et altération

Les minéraux argileux résultant de la destruction des roches, peuvent soit rester sur place (argiles
résiduelles, ex: argiles à silex, argiles de décalcification) soit être transportées sur de longues distances
(ex: argiles des fonds océaniques).
En fonction des roches mères et du climat, les minéraux argileux résultant sont différents. En climat
froid : l'altération est faible, les minéraux sont argileux sont identiques ou peu différents des minéraux
de la roche (illite et chlorite), ils sont hérités de la roche d’origine. En climat chaud et humide,
l'hydrolyse est poussée, la kaolinite se forme en milieu drainé, les smectites en milieu confiné. En climat
tempéré, humide, l'altération est modérée, il apparaît des interstratifiés, des illites et chlorites dégradées,
de la vermiculite.



3.2 Néoformations en milieux confinés

Les argiles fibreuses se forment dans des croûtes calcaires, dans des zones à climat à saison sèche
marquée, dans des milieux évaporitiques sursalés:
* néoformation de sépiolite par concentration des ions par évaporation (bassin lacustre actuel de
Sommières, de Ghassoul au Maroc).

Certains minéraux argileux se forment en dehors des sols à partir des ions en solution.
* néoformation de glauconie (illite ferrifère) dans les vases littorales.
* néoformation des "argiles rouges des grands fonds" (smectites ferrifères provenant des vases calcaires
et siliceuses et des cendres volcaniques).



3.3 Transformations des minéraux argileux

Les minéraux néoformés ou hérités peuvent évoluer pour prendre un nouveau statut en équilibre avec le
nouveau milieu. On distingue les transformations par dégradation (soustraction d'ions) et par agradation
(par fixation d'ions supplémentaires). Ces transformations ont lieu aussi bien au cours de l'altération que
de la diagénèse.

Ex.: Kaolinite -----> Chlorite
Smectites ------> Illite




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11
                                 CHAPITRE 4. LES ARGILES DU SOL




4.1 Nature des minéraux argileux.

Selon le climat, l'origine des minéraux est variable:

* héritage: à partir de la roche-mère
* transformation: à partir d'autres minéraux argileux
* néoformation: formés à partir des ions transportés par l'eau du sol.
La nature de la roche-mère joue un rôle:
* l'altération d'une roche acide, comme le granite, donne plutôt de la kaolinite
* l'altération d'une roche basique, comme le basalte, donne plutôt des smectites.




Figure 3: Types de phyllosilicates formés au cours de l'altération.




La topographie, qui commande le drainage, intervient également:
* sur une pente, où le drainage et le lessivage sont bons, la formation de kaolinite et favorisée.
* dans une cuvette, milieu confiné où se concentrent les solutions, se forment plutôt des smectites.




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 CLIMAT                    VEGETATION et SOL            ORIGINE des             MINERAUX FREQUENTS
                                                        ARGILES
 Glaciaire                 toundra                      héritage                illite
                                                                                chlorite
 Boréal                    Taiga et Forêt               transformation          vermiculite, interstratifiés,
 Tempéré                   Podzol, Sols Bruns           héritage                illite, chlorite, smectites
 Méditerranéen             Steppes, savane              transformation          smectites
 Subtropical               FerSiAlitique                néoformation
                                                        héritage
 Désertique                néant                        héritage                illite,
                                                                                chlorite
 Equatorial                Forêt                        néoformation            gibbsite,
                           Ferralitique                                         kaolinite
Tableau II: occurence des minéraux argileux dans le sol en fonction du climat.

4.2 Propriétés et rôle des minéraux argileux

Les propriétés bien particulières des minéraux argileux sont dûes à la petite taille, la structure en
feuillets et la charge négative des particules. Elles forment avec l'eau des solutions colloïdales qui
floculent lorsque les charges de surface des particules sont neutralisées par des ions. Ce phénomène est
réversible: les particules retrouvent l'état dispersé lorsque les ions sont éliminés par rinçage. Les argiles
fixent l'eau par adsorption à leur surface et augmentent de volume par gonflement. Elles constituent
ainsi une réserve d'eau. L'argile sèche développe une tension de succion importante pour l'eau qui peut
s'opposer à celle des racines des plantes.Avec adjonction croissante d'eau, la tension de succion diminue,
l'ensemble eau-argile devient plastique, puis visqueux et finalement les particules d'argile se dispersent
dans l'eau en formant une solution colloïdale. L'argile imprégnée d'eau qui se déssèche se rétacte et se
casse par des fentes de retrait.

Les argiles confèrent au sol sa structure et ses propriétés mécaniques. Elles sont associées au autres
composants et constituent les complexes argilo-humiques (ou organo-minéral); leur teneur peut atteindre
50%. Elles sont généralement à l'état floculé , généralement par l'action des ions Ca++ et H+, ce qui donne
au sol ses qualités agronomiques: bonne aération entre les agrégats, retrait modéré à la dessication,
bonne perméabilité à l'air et l'eau. En revanche, les sols dont les argiles sont dispersées, et non floculées,
présentent des caractères défavorables à la culture: mauvais état structural, mauvaise circulation de l'air
et de l'eau, retrait important à la dessication, forte adhérence aux outils travaillant le sol. Les mêmes
inconvénients se retrouvent dans les sols saturés par l'ion sodium, comme dans les polders; leur mise en
culture exige au prélable un lessivage du sol par les eaux douces, de façon à éliminer le Na+qui est
remplacé par l'ion Ca++ fourni sous forme de sulfate (gypse).


                 Surface interne          Surface externe      Surface totale   C.E.C.
Minéral
                 (m2/g)                   (m2/g)               (m2/g)           (milliéquivalent/100g)
Kaolinite        0                        10-30                10-30            5-15
Illite           20-55                    80-120               100-175          10-40
Smectites        600-700                  80                   700-800          80-150
Vermiculite      700                      40-70                760              100-150
Chlorite         -                        100-175              100-175          10-40

Tableau III: surface spécifique et C.E.C. de quelques minéraux argileux (d'après MOREL).
                                                                                                                13
                              CHAPITRE 5 : DIAGENESE DES ARGILES



5.1 Introduction
**n. f. [du gr. dia, à travers, et genêsis, formation] Ensemble des processus qui affectent un dépôt
sédimentaire et le transforment progressivement en roche sédimentaire solide (V. lithification). La
diagenèse commence dès le dépôt du sédiment.** d’aprés dictionnaire de géologie
Diagenese
 La diagenèse inclut toutes les modifications physiques et chimiques qui se produisent dans un sédiment
après son dépôt mais avant le métamorphisme . la limite diagenèse-métamorphisme est arbitraire. On peut la
fixer vers 300°C,
 le changement majeur lié à la diagenèse consiste en la réaction progressive des smectites en illites via des
minéraux intermédiaires interstratifiés
Sa limite avec le métamorphisme est floue (anchimétamorphisme). Ses limites sont également floues avec
les phénomènes épigénétiques (ou métasomatiques) affectant des roches sédimentaires déjà constituées.
Dans des sédiments sous-aquatiques, marins surtout, les modalités sont variées car elles dépendent, entre
autre, de la nature chimique du sédiment, de sa granulométrie, du taux de sédimentation contrôlant
l’enfouissement.



5.2 Réactions diagénitique




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5.3 Facteurs contrôlant la diagenèse

De nombreuses séquences diagénétiques ont été étudiées dans le monde. Une des études la mieux
documentée concerne le Golfe du Mexique (Hower, 1981 – Fig. 7.8). Les contrôles de la réaction
smectite vers illite sont essentiellement la température (Fig. 7.8), le temps, la nature de la roche et des
fluides. La pression a peu d’effet.




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Evolution mineralogique selon la profendeur d’enfuissement(Montagne de Lure,France)- Chamley,1989




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BEBLIOGRAPHIE

MOREL R. (1996) - Les sols cultivés. Lavoisier, Paris.

TUCKER M.E. (1981) - Sedimentary petrology. An introduction. Blackwell.

Geologie des argiles.

JEAN FRANÇOIS RAULT -Dictionnaire de geologie-.

VERNE/JACQUES BEAUCHAMP -Université de Picardie Jules - Cours argile.




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