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CARACTERISATION STRUCTURALE DES PHYLLOSILICATES
Les différentes entités rencontrées (smectite, vermiculite, illite) ont des dimensions voisines dans le plan ab mais assez contrastées selon l’axe c* . Les dimensions selon c* étant de l’ordre de la dizaine d’angströms, la diffraction des rayons X est particulièrement adaptée pour décrire la structure de tels minéraux.
Il est possible de distinguer les contributions de chacune de ces fonctions. La phase étant pure la fonction d’interférence est périodique. La fréquence de cette dernière dépend de la périodicité mesurée dans les cristaux (taille de la maille). Les maxima de cette fonction forment une série rationnelle et sont plus ou moins élargis suivant la taille des domaines cohérents . Le facteur de structure élevé au carré qui est directement fonction de la composition chimique des feuillets et de la position des atomes dans la maille, module les intensités de la fonction d’interférence. une dernière fonction rend compte du dispositif expérimental (polarisation) et de l’échantillon (Lorentz) et en particulier la qualité de son orientation (cf. Figure 2.5). Le diffractogramme résultant est le produit de ces trois facteurs. Contrairement à un diffractogramme expérimental, des modulations apparaissent aux petits angles. Ceci provient du fait qu’ici, le calcul est réalisé uniquement pour un nombre fixé de feuillets et non pour une distribution de feuillets comme c’est le cas expérimentalement. Dans la suite, une distribution lognormale sera utilisée lors des calculs. Quand la taille des domaines cohérents est assez élevée une série rationnelle de raies basales est observée.
L’interstratification
Les différentes entités rencontrées (smectite, vermiculite, illite) ont des dimensions différentes selon l’axe c* mais voisines dans le plan ab autorisant ainsi l’empilement de feuillets de différentes natures pour former des minéraux dits interstratifiés. Expérimentalement, l’interstratification est détectée par la présence d’une série non rationnelle de raies basales lors de l’enregistrement du diffractogramme de rayons X. Afin de pouvoir calculer les diffractogrammes de rayons X correspondant à ces minéraux, il est nécessaire, en plus des paramètres classiques permettant de décrire une phase pure (périodicité, position et nature des atomes, …), de pouvoir décrire les séquences d’empilement des différents types de feuillets au sein des édifices interstratifiés.
L’approche probabiliste
Toute l’approche probabiliste développée dans la suite repose sur l’utilisation des statistiques Markoviennes. Afin de décrire un interstratifié, il est nécessaire :
➤ de connaître sa composition (nombre, nature et proportions des différents types de feuillets)
➤ de décrire l’empilement de ces différents types de feuillets.
Dans le cas simple où cet interstratifié ne comprend que deux composants, il est donc nécessaire de connaître l’abondance de chacun de ces deux types de feuillets. Dans le cas d’un interstratifié illite/smectite, il faut déterminer WI et WS qui représentent les abondances des feuillets illite et smectite, respectivement.
Dans un deuxième temps, il est nécessaire de décrire la succession de ces différents types de feuillets au sein d’un cristal. Cette description, statistique, repose sur les probabilités de succession de ces différents feuillets, Pij (probabilité qu’un feuillet J suive un feuillet I). Dans notre exemple d’un interstratifié illite/smectite, nous avons donc quatre paramètres (non-indépendants) PII, PIS, PSI, et PSS. Ces probabilités conditionnelles permettent de définir la probabilité d’occurrence de chacune des séquences d’empilement pour un cristal de taille donnée et donc de rendre compte de leurs contributions respectives dans le calcul du diffractogramme global. Par exemple, pour un cristal comprenant 3 feuillets, il sera possible de déterminer les abondances relatives des séquences SSS, SSI, SIS, ISS, SII, ISI, IIS et III. Ces probabilités de succession de feuillets dépendent de la composition de l’interstratifié et du degré d’ordre de la structure. Le paramètre d’ordre est caractérisé par un facteur appelé Reichweit (R) qui mesure la portée des interactions entre feuillets (Jagodzinski, 1949).
Les six paramètres (WI, WS, PII, PIS, PSI, PSS) décrits précédemment sont reliés par les quatre équations indépendantes suivantes :
WI + WS =1
PII + PIS = 1
PSI + PSS =1
WI.PIS = WS.PSI
L’ordre maximum (« R1 »-MPDO) est défini en interdisant la succession de deux feuillets minoritaires (croquis B et C). Par exemple, les séquences SS sont interdites lorsque le composant smectite est minoritaire. Si PSS = 0, alors PSI = 1, donc PIS = WS/WI et PII = 1- WS/WI = (2.WI–1)/WI. Cette dernière formule est valable uniquement si WI ≥ 0.5 et permet de définir la courbe reliant les points rectorite et illite. Dans le cas de l’empilement aléatoire (« R0 »), aucune séquence d’empilement n’est interdite, la probabilité d’apparition d’un feuillet dans une séquence ne dépendant que de son abondance (croquis A). Ici Pij = Wj avec i,j = I,S (droite reliant les points smectite et illite). Le cas du mélange physique (croquis D) est un peu particulier, puisqu’il ne s’agit pas à proprement parlé d’un interstratifié, les deux types de feuillets ne coexistant pas au sein d’un même cristal. Bien entendu, tout le domaine de probabilité entre ces trois cas extrêmes peut être envisagé pour décrire les séquences d’empilements naturelles. Par exemple, le domaine entre l’empilement aléatoire (« R0 ») et le mélange physique correspond au domaine de la ségrégation dans lequel tendent à se former des « clusters » de feuillets illite et smectite. Il faut cependant noter que dans l’essentiel de la littérature, la description des minérauxinterstratifiés est définie en deux grandes catégories. Les interstratifiés illite/smectite riches en smectite (WS>0.5>WI) sont décrits comme étant empilés aléatoirement (« R0 »), alors que les interstratifiés plus illitiques (WI>0.5>WS) sont décrits avec les paramètres de l’ordre maximum (R1-MPDO). Dans ce cas, la succession de deux feuillets smectite est interdite.
Diffractogrammes calculés caractéristiques
L’interstratification étant définie d’un point de vue statistique, le comportement de ces minéraux interstratifiés vis à vis de la DRX va être illustré. Tous les calculs présentés ci dessous ont été effectués en considérant deux composants I (illite) et S (smectite) dont les distances basales d001 sont respectivement 9.98 et 16.86 Å.
R = 0
Avec l’augmentation du pourcentage de feuillets illitiques (de 20% à 60% ici), le pic à 16.71 Å diminue d’intensité et se décale légèrement vers les grands angles pour finalement devenir un simple épaulement (cf. Figure 2.9). Inoue et al. (1989) mesurent cette diminution d’intensité à l’aide du Saddle Index= I1/I2 pour le relier à la composition de l’interstatifié avec des abaques I1/I2 = f(% S).
Les autres pics observés sont de très faibles intensité. Toujours avec l’augmentation du pourcentage de feuillets illitiques, le pic à 8.59 Å se décale vers les petits angles contrairement au pic à 3.37 Å qui se décale légèrement à droite, de même que le pic à 5.56 Å mais de façon plus marquée pour ce dernier. Après 30° 2θ, les pics possèdent une intensité extrêmement faible. Pourtant, Srodon propose une méthode d’identification basée sur la mesure de la distance ∆d2 (en degrés) entre les deux pics observés (peu visibles et extrêmement mal définis sur notre figure) dans la région 42-48° (2θ) soit entre 1.9 et 2.15 Å (Srodon, 1980).
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Table des matières
INTRODUCTION
1. CONTEXTE GEOLOGIQUE
1.1. DESCRIPTION DU SITE DE L’EST
1.1.1. Situation géographique et géologique
1.1.2. Données existantes
1.1.2.1. Minéralogie
1.1.2.2. Apport de la sédimentologie
1.1.2.3. Matière organique
1.2. L’ENRICHISSEMENT EN ILLITE DANS LES INTERSTRATIFIES
2. PHYLLOSILICATES MINERALOGIE ET STRUCTURE
2.1. LES PHYLLOSILICATES 2:1 DIOCTAEDRIQUES
2.1.1. Classification des différents types de feuillets suivant ξ
2.1.1.1. Si ξ=0
2.1.1.2. Les smectite 0.3 ≤ ξ ≤ 0.6
2.1.1.3. La vermiculite 0.6 ≤ ξ ≤ 0.9
2.1.1.4. Les micas 0.75 ≤ ξ ≤ 1
2.1.1.5. Proposition pour une classification pratique
2.2. CARACTERISATION STRUCTURALE DES PHYLLOSILICATES
2.2.1. Intensité diffractée par une espèce pure
2.2.2. L’interstratification
2.2.2.1. L’approche probabiliste
2.2.2.2. Diffractogrammes calculés caractéristiques
2.2.2.2.1. R = 0
2.2.2.2.2. R = 1 MPDO (Maximun Possible Degre of Ordering)
2.2.2.2.3. L’ordre partiel
2.2.2.2.4. La segrégation
2.2.2.3. Homogénéité du cristal
2.2.2.4. n composants
2.2.2.4.1. Probabilités indépendantes et notations utilisées
2.2.2.4.2. R = 0
2.2.2.4.3. R = 1 MPDO
2.2.2.4.4. R = 1 Ordre partiel
2.2.2.4.5. Ségrégation
2.2.2.5. Intérêt de la simulation
2.2.2.6. Le modèle structural
2.3. CE QU’IL FAUT RETENIR
3. PREPARATION DES ECHANTILLONS ET METHODES D’INVESTIGATION
3.1. PREPARATION DES ECHANTILLONS POUR LA DRX
3.1.1. Traitements préliminaires
3.1.2. Fractionnement granulométrique
3.1.3. Echange cationique
3.1.4. Préparation des lames orientées
3.1.4.1. Méthode pipette
3.1.4.2. Méthode millipore
3.1.4.3. Méthode employée
3.1.5. Enregistrement des diffractogrammes de rayons X
3.1.5.1. Alignement
3.1.5.2. Contrôle de l’humidité lors de l’enregistrement
3.2. METHODES EMPLOYEES LORS DE L’ETUDE EXPERIMENTALE
3.2.1. Protocole de lavage
3.2.2. Mesure du pH
3.2.3. Mesure des différentes concentrations dans les fluides
3.2.4. Mesure de la taille des colloïdes
3.2.5. STXM
4. ETUDE MINERALOGIQUE DE LA FRACTION ARGILEUSE FORAGE EST 104
4.1. POSITION DU PROBLEME
4.1.1. Choix des échantillons représentatifs
4.1.2. Description minéralogique classique
4.2. MODELES ENVISAGES POUR LA SERIE
4.2.1. Ségrégation
4.2.2. Modèle polyphasique
4.2.2.1. Description
4.2.2.2. Evolution avec la profondeur
4.2.2.2.1. Evolution quantitative des différentes phases
4.2.2.2.2. Evolution structurale
4.2.3. Choix du modèle
4.2.4. Pertinence du modèle
4.2.4.1. Sensibilité des paramètres
4.2.4.1.1. Modification du nombre de composants
4.2.4.1.2. Modification des probabilités de succession de feuillets
4.2.4.1.3. Modification de d001
4.2.4.1.4. Modification chimique du feuillet
4.2.4.1.5. Modification de la taille des domaines cohérents
4.2.4.1.6. Modification du pourcentage d’expansible
4.2.4.2. Difficulté d’obtenir des résultats quantitatifs
4.3. CE QU’IL FAUT RETENIR
CONCLUSION
