Cours 1 : constitution et structure des sols : les minéraux des sols

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

2 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

3 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

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

5 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.

6 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

7 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

8 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

9 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)

10 Particules grossières
La texture du sol Particules grossières Tamisage

11 1.3.3.2. Procédés de séparation des particules
2-5 microns Par sédimentation (fig1-20)

12 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

13 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

14 1.3.1. Classes granulométriques des sols
Lien entre granulométrie et composition minéralogique Fig 1-2

15 1.3.2. Distribution pondérale des particules

16 1.3.2. Distribution pondérale des particules
Varie selon les horizons (profondeur)

17 Textures des sols Triangle des textures

18 Minéraux primaires

19 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

20 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)

21 1.2. Composition minéralogique
Minéraux primaires : dépendent de la roche mère

22 1.2. Composition minéralogique
Minéraux primaires : Qu’est-ce qui conditionne la résistance d’un minéral à l’altération ?

23 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

24 Goldich = inverse de Bowen
Série des Bowen

25 2.2. Les silicates primaires
Arrangement de base

26 Les sites cristallographiques des cations
Importance du rapport Rcation / Ranion Rayon ionique (Å) Anions O ,4 F ,33 Cl ,81 Cations Si ,39 Al ,51 Fe ,64 Mg ,66 Fe ,74 Na ,97 Ca ,99 K ,33 Rc / Ra CN Géométrie 0,15 - 0, centre triangle équilatérale 0,22 - 0, centre tétraèdre 0,41 - 0, centre octaèdre 0,73 - 1, centre cube > 1, centre cuboactèdre Denen (1960)

27 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

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

29 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

30 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

31 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

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

33 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

34 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

35 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

36 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, Anorthite : 1, Néphéline : 8, Enstatite : 3, Albite : 3, Feldspath K : 5, Muscovite : 8, Quartz : 1, On passe d'un facteur 10-1 (anorthite) à un facteur 10-7 (quartz). On retrouve plus ou moins l'ordre établi par GOLDICH.

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

38 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 Enstatite Albite Feldspath K Forstérite Muscovite Quartz Durée nécessaire pour altérer 1m3 de roche Pluviométrie SiO2 (eau) Durée (années) Granite mm 3 mg/l (Norvège) Basalte mm 16 mg/l (Madagascar) Lasaga, 1984

39 Les minéraux résiduels

40 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

41 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

42 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

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

44 2.2. Les silicates primaires
Les micas Couche tétraédrique

45 2.2. Les silicates primaires
Les micas Couche octaédrique (fig 1-8)

46 2.2. Les minéraux primaires
Les micas Disposition des feuillets dans un mica (fig 1-9)

47 2.2. Les minéraux primaires
Les micas Substitutions isomorphiques (fig 1-10)

48 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+)