Cours 1 : constitution et structure des sols : les minéraux des sols Composition élémentaire Composition minéralogique Composition granulométrique Minéraux primaires Résistance à l’altération

Composition élémentaire Macroéléments : O, Si > Al, Fe, Ca, K, Na, Mg, S Microéléments : P, Zn, Cu, Mn En pratique peu informative, analyse partielles et sélective selon les applications

Analyse de la composition élémentaire Fe (6,2 %) Ca (4,7 %) Mg (2,8 %) Na (2,3 %) K (1,8 %) Autres (0,9 %) Composition chimique moyenne de la croûte continentale (% poids) Elle est rarement voire jamais effectuée pour les sols

Composition élémentaire Analyse des sols, valeurs fertilisantes (exemple agronomique)

L’organisation à l’échelle microscopique : la structure et la texture du sol Distributions granulométrique des particules du sol ayant un diamètre < 2 mm. Conditionne en partie la structure du sol. Structure Mode d’arrangement spatial des particules du sol. Présence ou non d’agrégats argilo-humiques. Conditionne la porosité du sol. Ces paramètres sont évolutifs dans le temps.

1.3 Composition granulométrique Analyse essentielle pour caractériser les sols, relativement simple à mettre en œuvre et importante historiquement Classes granulométriques de la norme française AFNOR NF X31-003, 1998 Figure 1-1

1.3.3. Méthodes de détermination de la composition granulométrique Tri préalable des matériaux grossiers Tableau 1-1 Trié à l’aide d’un passoire (trou diam. 2mm) Lavage à l’eau pour désagréger les agrégats Matériaux non retenus : terre fine

1.3.3. Méthodes de détermination de la composition granulométrique Terre fine : agrégats Elimination de ciment organiques avec de l’eau oxygénée (H2O2) Forte teneur en sesquioxydes de Fe - Al : traitement HCl ou mélange dithionite (S2O42-) et citrate de sodium (Na3C6H5O7) Agitation mécanique + ultrasons Risque d’éliminer des minéraux ou de changer la granulométrie Norme de traitement AFNOR X31-104

1.3.3.2. Procédés de séparation des particules Tamisage (à sec ou dans l’eau) Résultats dépendent de - la taille de l’échantillon - intensité des mouvements du tamis - forme et taille des particules - géométrie des trous des tamis (carré, rond)

Particules grossières La texture du sol Particules grossières Tamisage

1.3.3.2. Procédés de séparation des particules 2-5 microns Par sédimentation (fig1-20)

La texture du sol Particules fines Sédimentation Loi de Stockes v = 2 /9 . [( DP- DE). g . r2] / µ particules sphériques < 100 µm Parcours 1 m 2 µm : 3 jours 0,1 µm : 293 jours

Granulométrie LASER Principe : étude de la distribution de la taille des particules d’échantillons (secs ou liquides) par diffraction de la lumière émise par un laser (angle de diffraction fonction de la taille des particules) Norme ISO 13320

1.3.1. Classes granulométriques des sols Lien entre granulométrie et composition minéralogique Fig 1-2

1.3.2. Distribution pondérale des particules

1.3.2. Distribution pondérale des particules Varie selon les horizons (profondeur)

1.3.4. Textures des sols Triangle des textures

Minéraux primaires

L’équation de l’altération Minéraux primaires Eaux d ’infiltration Minéraux résiduels secondaires Eaux d ’altération + + composition minéralogique Réactifs dans la solution d ’attaque Minéraux formés ou transformés Départs en solution

Les minéraux primaires Plagioclases (39 %) Quartz (12 %) K Feldspaths (12 %) Pyroxène (11 %) Amphiboles (5 %) Micas (5 %) Phyllosilicates (4,6 %) Olivine (3 %) Autres (4,9 %) Magnétite (1,5 %) Calcite (1,5 %) Dolomite (0,5 %) Composition minéralogique moyenne de la croûte continentale (% volume)

1.2. Composition minéralogique Minéraux primaires : dépendent de la roche mère

1.2. Composition minéralogique Minéraux primaires : Qu’est-ce qui conditionne la résistance d’un minéral à l’altération ?

Les minéraux primaires et l ’altération chimique La séquence de Goldich Série ferro-magnésienne Série feldspathique Olivine Anorthite Pyroxènes Amphiboles Résistance à l ’altération Albite Biotite Orthose Muscovite Quartz

Goldich = inverse de Bowen Série des Bowen

2.2. Les silicates primaires 2.2.1. Arrangement de base

Les sites cristallographiques des cations Importance du rapport Rcation / Ranion Rayon ionique (Å) Anions O2- 1,4 F- 1,33 Cl- 1,81 Cations Si4+ 0,39 Al3+ 0,51 Fe3+ 0,64 Mg2+ 0,66 Fe2+ 0,74 Na+ 0,97 Ca2+ 0,99 K+ 1,33 Rc / Ra CN Géométrie 0,15 - 0,22 3 centre triangle équilatérale 0,22 - 0,41 4 centre tétraèdre 0,41 - 0,73 6 centre octaèdre 0,73 - 1,00 8 centre cube > 1,00 12 centre cuboactèdre Denen (1960)

La force de la liaison chimique (1) Le caractère ionique ou covalent des liaisons chimiques dépend de la différence d'électronégativité entre le cation et l’anion

Electronégativité L’électronégativité d’un atome est une mesure de son affinité pour les électrons dans une liaison chimique

La force de la liaison chimique (2) Degré d’ionicité de la liaison chimique = 1 - exp(-1/4(ca-cb)) Caractère de la liaison K O Na O Ca O Ionicité de la liaison Mg O ionique iono-covalente Al O Si O et Fe O Les liaisons à caractère iono-covalent sont plus fortes que les liaisons ioniques

La force de la liaison chimique (3) Longueur d de la liaison chimique = f(Rionique) Cations Rayon ionique (nm) Coordinence Anions Rayon ionique (nm) Coordinence

La force de la liaison chimique (4) 0 = permitivité du vide (8.84x10-9 farads m-1) 1 farad = 1 coulomb volt-1 Loi de Coulomb Force de la liaison ( x cste Madelung) Coordinence

Les minéraux primaires (1) Les familles de silicates en fonction des enchaînements de tétraèdre SiO44- [SiO4]4- Tétraèdres indépendants Nésosilicates Olivine, grenat, zircon [Si2O7]6- Tétraèdres doubles Sorosilicates Lawsonite, épidote n[SiO3]2- n = 3, 4, 6 Cyclosilicates Tourmaline Benitoite BaTi[Si3O9] Axinite Ca3Al2BO3[Si4O12]OH Beryl Be3Al2[Si6O18]

Les minéraux primaires (2) Les familles de silicates en fonction des enchaînements de tétraèdre SiO44- [SiO3]2- Simples chaines Inosilicates [Si4O11]4- Doubles chaines Pyroxènes, pyroxénoides Amphiboles

Les minéraux primaires (3) Les familles de silicates en fonction des enchaînements de tétraèdre SiO44- [Si2O5]2- Feuillets de tetraèdres Phyllosilicates Micas, talc, kaolinite, serpentine... [SiO2] réseau 3-D de tetraèdres Tectosilicates Quartz, feldspaths, feldspathoides, zeolites

Les minéraux primaires et l’altération chimique (1) La séquence de Goldich Série ferro-magnésienne Série feldspathique Nésosilicates Olivine Anorthite Pyroxènes Inosilicates Amphiboles Résistance à l ’altération Albite Biotite Phyllosilicates Orthose Muscovite Tectosilicates Quartz

Les minéraux primaires et l’altération chimique (2) Des travaux ont permis d'évaluer la vitesse d'hydrolyse d'un minéral silicaté en mesurant la vitesse de libération de la silice dans la solution. Cette vitesse est fonction de la surface de contact du minéral, du pH et d'une constante de vitesse de libération "k" propre au minéral qui est mesurée en mole/m2/an; voici quelques valeurs de k: Olivine : 3,78 10-5 Anorthite : 1,76 10-1 Néphéline : 8,83 10-2 Enstatite : 3,15 10-3 Albite : 3,75 10-4 Feldspath K : 5,26 10-5 Muscovite : 8,09 10-6 Quartz : 1,29 10-7 On passe d'un facteur 10-1 (anorthite) à un facteur 10-7 (quartz). On retrouve plus ou moins l'ordre établi par GOLDICH.

Les roches et l’altération chimique (1) ROCHES PLUTONIQUES Granite Diorite Gabbro Péridotite Rhyolite Andésite Basalte (Komatiite) ROCHES VOLCANIQUES Résistance à l ’altération

Les roches et l’altération chimique (2) Durée de vie d’un minéral de 1mm3 (pH 5 et T 298K) Minéral Durée de vie (années) Anorthite 112 Diopside 6.800 Enstatite 8.800 Albite 80.000 Feldspath K 520.000 Forstérite 600.000 Muscovite 2.700.000 Quartz 34.000.000 Durée nécessaire pour altérer 1m3 de roche Pluviométrie SiO2 (eau) Durée (années) Granite 1250 mm 3 mg/l 85.000 (Norvège) Basalte 1500 mm 16 mg/l 40.000 (Madagascar) Lasaga, 1984

Les minéraux résiduels

L’équation de l’altération Minéraux primaires Eaux d ’infiltration Minéraux résiduels secondaires Eaux d ’altération + + composition minéralogique Réactifs dans la solution d ’attaque Minéraux formés ou transformés Départs en solution

Quartz , Feldspaths K et Micas La séquence de Goldich Série ferro-magnésienne Série feldspathique Olivine Anorthite Pyroxènes Amphiboles Résistance à l ’altération Albite Biotite Orthose Muscovite Quartz

Minéraux ‘’lourds’’ Tourmaline Epidote NaFe3Al6(BO3)3Si6O18(OH,F)4 Ca2(Fe,Al)3(SiO4)3(OH) Densité 3,3 Densité 3,5 Sphène CaTiSiO5 Densité 3,5

Minéraux ‘’lourds’’ Rutile TiO2 Ilménite FeTiO3 Zircon ZrSiO4 Densité 4,25 Densité 4,7 Densité 4,6

2.2. Les silicates primaires 2.2.2. Les micas Couche tétraédrique

2.2. Les silicates primaires 2.2.2. Les micas Couche octaédrique (fig 1-8)

2.2. Les minéraux primaires 2.2.2. Les micas Disposition des feuillets dans un mica (fig 1-9)

2.2. Les minéraux primaires 2.2.2. Les micas Substitutions isomorphiques (fig 1-10)

A retenir… Composition élémentaire Composition granulométrique Composition minéralogique Minéraux primaires (différents selon les roches mères) Différences de résistance à l’altération dépend des liaisons atomiques Mica seul minéral primaire important pour la bio-géo-physico-chimie des sols (source de K+)