ARGILES ET MINÉRAUX ARGILEUX

ARGILES ET MINÉRAUX ARGILEUX

Après le silex et la pierre taillée, l’argile fut, pendant la préhistoire, le matériau le plus anciennement utilisé par les hommes. L’archéologie nous présente poteries innombrables, statuettes étranges, constructions gigantesques comme les ziggurats (tour de Babel)... Aujourd’hui, l’argile reste un des premiers matériaux terrestres utilisés: briques et tuiles; carrelages et céramique industrielle, porcelaine, faïence et poterie; adsorbants, filtres et catalyseurs, boues de forage et ciments, charges de nombreux produits de l’industrie, de la droguerie, de la pharmacie.

Dans la nature, c’est à l’argile, en grande partie, que nos jardins, nos vignes, nos champs et nos forêts doivent la mise en réserve de la nourriture des végétaux. Ces minuscules particules de quelques millièmes de millimètres sont capables de saisir, en période d’abondance, l’eau, les éléments minéraux et certaines molécules organiques extraits de la pluie, des irrigations, des engrais et des fumures. Si la sécheresse et la disette surviennent, les argiles restituent à la plante ce qu’elles ont mis en réserve. Les argiles sont les «banques» de la végétation.

Curieusement, les argiles sont les roches qui ont résisté le plus longtemps à l’analyse et à la compréhension des hommes. La raison en est que leurs constituants, les minéraux argileux, sont si petits qu’ils sont invisibles à l’œil et à la loupe, et difficiles à distinguer au microscope. Ce ne sont que les outils modernes de la minéralogie qui ont permis de pénétrer les secrets de ces matériaux utilisés empiriquement depuis des millénaires. Il est donc indispensable de distinguer les constituants que sont les minéraux argileux de leur assemblage que sont les argiles, plus ou moins mêlées à d’autres composants.

1. Les minéraux argileux

Méthodes d’étude

Les constituants des argiles sont donc des minéraux, qui sont extrêmement petits, en forme de feuilles ou de lattes, et qui se mesurent en millièmes de millimètres, c’est-àdire en micromètres. Pour en connaître la nature, la structure et la classification, il fallut attendre les techniques raffinées qui se sont offertes aux minéralogistes au XX^e siècle. Ce furent la diffraction des rayons X, l’analyse thermique différentielle, la microscopie et la microdiffraction électroniques, la spectroscopie infrarouge et la spectrométrie Raman. À cela s’ajoutent les diverses méthodes d’analyse chimique qui peuvent s’effectuer sur des minéraux purs ou même, grâce à la microsonde électronique, sur des monoparticules. De bons traités sur la minéralogie des argiles et leurs méthodes d’étude sont parus dans divers pays. On trouvera la liste des principaux dans la bibliographie ci-après.

Structures et classification sommaire des minéraux argileux

Les minéraux argileux sont en général en forme de feuilles, d’où leur nom de phyllites. Ils appartiennent, comme les micas, au groupe des phyllosilicates. Chaque cristal ou phyllite, dont l’épaisseur se mesure en micromètres, est composé de quelques centaines de feuillets empilés qui se mesurent en unités mille fois plus petites: les nanomètres. Et c’est la structure du feuillet élémentaire qui caractérise l’espèce minérale. Chaque feuillet est composé de deux, trois ou quatre couches planes associées.

Il y a deux sortes de couche, selon que les oxygènes ou oxydriles sont associés en tétraèdres ou en octaèdres. Et les petits cations (Si⁴⁺, Al³⁺, Fe³⁺, Fe²⁺, Mg²⁺) viennent se loger dans les cavités des tétraèdres et des octaèdres. Si les charges positives et négatives ne s’équilibrent pas, il en résulte une charge foliaire et d’autres cations viennent se loger entre les feuillets pour équilibrer l’édifice. Ici résident les capacités d’échange des argiles et leur pouvoir adsorbant.

On voit combien, à l’échelle du millionième de millimètre, l’organisation cristalline est soigneusement combinée. De ses variations viennent les différentes espèces de minéraux argileux. Décrivons les types principaux:

– La kaolinite (fig. 1) associe, dans son feuillet, une couche de tétraèdres à cœur de silicium et une couche d’octaèdres à cœur d’aluminium. Le feuillet est neutre. La distance de la surface d’un feuillet à l’autre est de 0,7 nm. La formule chimique structurale est Si²Al²⁵(OH)⁴.

– Les illites (fig. 2) associent, comme les micas, une couche octaédrique surtout alumineuse à deux couches tétraédriques surtout siliceuses. Mais les ions Al peuvent remplacer Si, et des ions Mg et Fe peuvent remplacer Al. Le feuillet n’est plus équilibré, et des ions K viennent le saturer en position interfoliaire. L’équidistance réticulaire est de 1 nm. La formule générale des illites est donc (Si⁴ – ^x Al^x )(Al,M¹,M²)²¹⁰(OH)²K. La glauconite est l’isotype ferrique de l’illite.

– Les smectites , ancienne famille des montmorillonites (fig. 3), forment une famille nombreuse, bâtie sur le même modèle que les illites, mais l’empilement des feuillets élémentaires est désordonné: chaque feuillet est tourné dans son plan par rapport au précédent. Ce désordre et la faible charge des feuillets facilitent leur écartement. Peuvent se loger dans cet espace interfoliaire des cations divers, des molécules d’eau et des molécules organiques, d’encombrement variable. C’est pourquoi l’équidistance réticulaire peut varier de 1 à 1,8 nm. Toute une systématique s’est construite pour décrire et nommer la variété des smectites.

– Les chlorites sont construites sur un modèle analogue à celui des illites, des smectites et, donc, des micas. Mais l’espace interfoliaire est garni d’une couche continue d’hydroxydes de natures variées. Cette couche octaédrique supplémentaire est stable, et l’équidistance réticulaire est fixe à 1,4 nm.

– Les minéraux argileux interstratifiés sont des minéraux dans lesquels alternent des feuillets ou, le plus souvent, des espaces interfoliaires différents. Cette alternance est indéterminée quand elle est irrégulière, mais déterminable quand elle est régulière. Les interstratifiés sont les étapes des transformations d’un minéral argileux à l’autre.

– Les minéraux en lattes , sépiolite et attapulgite (fig. 4), sont composés non pas d’un empilement de feuillets, mais d’un empilement de rubans à trois couches. La couche octaédrique contient huit cations (Mg) pour la sépiolite, et cinq pour l’attapulgite (Mg, Al, Fe). Cette structure donne à ces minéraux l’aspect de lattes.

Sur les modèles de structure qui viennent d’être décrits, on a pu distinguer, par les variations de position et de nature des cations, de quarante à cinquante espèces de minéraux argileux, groupés en familles. Le tableau donne une idée sommaire de cette classification.

2. Les roches argileuses

Les argiles ou roches argileuses sont un mélange de minéraux argileux avec les divers autres minéraux présents dans la nature. On peut évoquer les argiles sableuses, les argiles calcaires ou marnes, les argiles bitumineuses, etc. Pour qu’une roche mérite le nom d’argile, il faut que la proportion de minéraux argileux soit assez grande pour communiquer au matériau ses propriétés communes principales: finesse, fragilité, plasticité, propriétés adsorbantes, durcissement à la cuisson, etc.

La classification des roches argileuses est restée peu codifiée. Elle est souple et libérale. La diversité du vocabulaire permet de cerner la réalité de très près. On distingue les variétés selon la texture, selon les minéraux associés les plus évidents, selon les faciès, selon les matières organiques ou organismes présents, selon l’utilisation. Voici quelques exemples.

– Variétés selon la texture : argilite (roche argileuse sédimentaire non litée), «shale» (roche litée), argile schisteuse ou schiste argileux (roche schisteuse), etc.

– Variétés selon les minéraux associés : argilite calcaire, marne, shale marneux, marne dolomitique, argilite sableuse, marne sableuse, shale sableux, argilite salifère, marne à gypse, argilite glauconieuse, marne micacée, etc.

– Variétés selon le faciès : argilite bigarrée, marne rubanée, argile à varves, argile plastique, marne en plaquettes, argile papyracée, argile à silex, etc.

– Variétés organiques : marne à foraminifères, shale à poissons, argilite à plantes, shale bitumineux, etc.

– Variétés selon l’usage : argile réfractaire, marne téguline, marne à ciment, argile smectique (terre à foulon, bentonites, argile à dégraisser).

Les argiles ou roches argileuses ne se trouvent pas dans les zones profondes de l’écorce terrestre. Ce sont les silicates caractéristiques des zones plus superficielles, qui sont au nombre de trois: la zone d’altération météorique qui est celle des altérations et des sols; la zone de sédimentation lacustre ou marine; la zone de la diagenèse par enfouissement, visitée par les actions hydrothermales.

3. Les trois grands mécanismes de genèse des argiles

La genèse des argiles peut s’expliquer par trois grands mécanismes principaux:

– La néoformation, ou authigenèse. Les minéraux argileux sont nés sur place, par combinaison des ions présents dans les solutions; ils sont caractéristiques du milieu qui leur a donné naissance.

– L’héritage. C’est le contraire. Ou bien les minéraux sont venus d’ailleurs et ici accumulés. Ou bien ils datent du passé et sont restés présents et intacts dans la roche, comme le mobilier «hérité» de nos ancêtres. C’est pourquoi les minéraux hérités caractérisent les milieux anciens ou lointains où ils sont nés, mais non le milieu où ils se trouvent.

– Les transformations. Ici, des minéraux hérités du passé ou apportés d’ailleurs ont évolué pour prendre un nouveau statut, en équilibre avec le nouveau milieu où ils se trouvent inclus. On distingue les transformations par dégradation, parce qu’elles reviennent surtout à des soustractions de matière, et les transformations par agradation, où l’essentiel est une fixation d’ions pour faire du neuf. Il existe aussi des minéraux transformés par recristallisation. On comprend que leur statut est intermédiaire, puisque leur substance est héritée et leur structure néoformée.

Ainsi, la nature présente des transitions entre ces trois mécanismes fondamentaux, qui vont jouer dans les trois zones superficielles de l’écorce terrestre.

4. Les argiles de la zone d’altération météorique

Les roches de toutes natures sont exposées à la surface de la Terre aux actions météoriques, comme la pluie, la neige, le froid et la chaleur et leurs alternances, l’humidité et la sécheresse, etc. Dans ces conditions, les roches s’altèrent et sont très vite colonisées par les organismes vivants: végétation, occupation animale et bactérienne. Par l’interférence de l’altération géochimique et des actions biologiques se développe la pédogenèse qui engendre les sols. Altérations et sols sont très différents à la surface du globe selon les zones climatiques.

En climat équatorial et tropical humide, dans les pays de la grande forêt, règnent chaleur et pluies intenses. Les minéraux des roches sont dissous: c’est l’hydrolyse. Presque tous les constituants ainsi libérés sont évacués, sauf trois: le fer qui précipite en hydroxydes, l’alumine qui précipite en gibbsite, mais plus fréquemment se combine à la partie restante de la silice pour cristalliser en kaolinite. Ainsi naissent les latérites, terres rouges riches en kaolinite, en oxydes de fer et parfois en gibbsite.

En climat tropical ou subtropical à saisons alternées, pays de savane ou des régions chaudes méditerranéennes, les hydrolyses sont encore puissantes à la saison humide. Mais l’évacuation des ions est freinée à la saison sèche. Cristallisent des smectites du groupe des beidellites, auxquelles s’ajoutent les beidellites analogues issues des transformations des phyllites héritées. Ainsi naissent les argiles des vertisols, des sols de steppe et des sols fersiallitiques.

En climat tempéré, la variété des situations est grande. Par affaiblissement de la température et de la pluviosité, les hydrolyses sont ménagées. S’y ajoute l’action des matières organiques acides et complexantes. Les silicates des roches mères s’altèrent peu, sauf les micas, séricites, chlorites et argiles qui s’y trouvent déjà. Et ces minéraux sont victimes de transformations qui mènent à de multiples assemblages: interstratifiés, vermiculites et smectites de dégradation, smectites et chlorites Al.

En climat boréal, dans la forêt résineuse de la taïga, l’attaque acide complexante devient si intense que les aluminosilicates sont dissous. Ainsi naissent les podzols et leurs horizons à résidus de quartz, appelés horizons cendreux.

Enfin, les altérations sont stoppées sous les climats extrêmes, périglaciaires ou désertiques. La matière organique fait défaut. L’eau se trouve gelée ou bien manque. Les argiles des sols, généralement maigres, ne sont que des illites et des chlorites, issues de la pulvérisation des phyllites héritées.

Ainsi s’étalent, à travers le monde, de vastes domaines où les altérations et les sols recèlent les différents mécanismes de genèse des argiles: héritage, transformation, néoformation ou dissolution totale. Ces argiles sont reconnaissables. Livrées aux sédiments, elles permettront de reconstituer les climats de leurs origines.

5. Les argiles de la zone de sédimentation

De la surface des continents, nous passons au fond des bassins sédimentaires: océans, mers intérieures et lacs. Là se déposent les sédiments: sables, argiles, calcaires, ou leur mélange, auxquels s’ajoutent les débris ou reliques des organismes vivants. S’y mêlent, en maints endroits, les cendres et les tufs volcaniques.

Du côté des sédiments argileux vont à nouveau rivaliser les argiles venues du continent et c’est l’héritage, les argiles héritées mais modifiées par les transformations, et les argiles néoformées de toutes pièces.

L’héritage

L’héritage des argiles à partir des continents est le mécanisme dominant dans les lacs fluviatiles et les lacs glaciaires, les marges océaniques, depuis les rivages du continent jusqu’à la lisière des grands fonds océaniques, où les apports continentaux ne parviennent plus. Dans la variété des situations s’additionnent, en proportions diverses, par l’intermédiaire des rivières et des fleuves, les héritages directs des roches mères et les héritages des couvertures d’altération et de sols. Deux exemples extrêmes le montrent. Dans les flysch et les molasses, les argiles viennent directement des cordillères encore vivantes ou des chaînes de montagne aux forts reliefs: illite et chlorite sont les minéraux dominants. À l’opposé, dans le faciès sidérolitique, sont accumulés la kaolinite et les oxydes de fer d’une couverture continentale latéritique. Les océans actuels illustrent l’influence des zones climatiques qui règnent sur les continents. À l’équateur, les fleuves apportent la kaolinite dominante. De part et d’autre viennent les smectites. En vis-à-vis des pays tempérés règnent les minéraux dégradés et interstratifiés, dont les variations dans les carottes permettent de reconstituer les variations climatiques du Quaternaire. Enfin, au large des socles glaciaires et des cordillères vivantes, viennent les illites et les chlorites des roches mères. Notons aussitôt que cette belle ordonnance est troublée par l’action des courants sous-marins et l’arrivée des smectites d’altération des cendres volcaniques.

Les transformations

Plus le contraste sera vigoureux entre le milieu continental des argiles héritées du continent et celui de la sédimentation, plus les phénomènes délicats des transformations seront sensibles. Dans le lac Tchad, on a montré la transformation progressive des argiles héritées en smectites magnésiennes. Et, dans les mers épicontinentales de la limite Crétacé-Éocène, ainsi que dans nombre de lacs tertiaires, on a décrit des séquences de transformations progressives, suivies de recristallisations, entre des smectites alumineuses, des smectites magnésiennes et même des attapulgites. Plus les milieux ou micromilieux sédimentaires seront différents des milieux d’origine des phyllites héritées, plus les transformations seront intenses.

Les néoformations

Des minéraux peuvent prendre naissance directement à partir des ions des solutions. Telles sont les néoformations de sépiolite, hectorite et stévensite dans des bassins lacustres (Ghassoul au Maroc, Sommières en France), ou dans certaines séries marines du Permotrias, du Crétacé ou du Tertiaire. La concentration des ions est obtenue par l’évaporation: on a le droit de parler d’évaporites silicatées.

D’autres minéraux argileux naissent en milieu océanique, sans évaporation. Les conditions de l’équilibre des glauconies, sorte d’illites ferrifères, se trouvent réalisées dans des vases littorales, par néoformation ou recristallisation. Mais plus spectaculaires sont les néoformations des grands fonds océaniques. Les argiles rouges des grands fonds garnissent un quart de la surface du globe. On sait aujourd’hui que ces argiles contiennent des smectites ferrifères qui sont néoformées, comme les zéolites et les nodules polymétalliques qu’elles contiennent. Et la matière première de ces néoformations réside dans les produits de dissolution des vases calcaires, des vases siliceuses et des cendres volcaniques. Aux altérations continentales font pendant les altérations des grands fonds océaniques, sur un quart de la surface du globe.

Le travail du sédimentologue est de débrouiller ces influences croisées. L’héritage trahit la vie du continent voisin: sa tectonique et son climat. Les transformations et les néoformations caractérisent les milieux de dépôt. Et tout cela est déchiffrable pour reconstituer l’histoire et la géographie changeante du passé. Encore faut-il que cette lecture ne soit pas obscurcie par l’effet croissant de la diagenèse.

6. La zone de la diagenèse

La zone de la diagenèse fut définie en Europe voici un siècle, comme la zone de l’écorce terrestre comprise entre la zone de la sédimentation et celle du métamorphisme. Son épaisseur varie, selon les cas, de 4 000 à 8 000 mètres.

Après leur dépôt, les argiles, comme les autres sédiments, s’enfoncent sous les nouveaux apports qui les surmontent. Progressivement, un essorage va se produire, accompagné de l’augmentation de la température et de la pression. De nouvelles évolutions commencent.

L’exemple d’un forage de 4 000 mètres, percé au Cameroun dans le Crétacé marneux très monotone, est très parlant (fig. 5). Avec la profondeur, on voit la kaolinite et les montmorillonites s’évanouir. À leur place naissent des interstratifiés, puis les deux minéraux caractéristiques des schistes: l’illite et la chlorite. Par transformations et recristallisations, la diagenèse opère. Elle sera suivie du métamorphisme qui développera séricites et chlorites, puis muscovites et biotites, avant la feldspathisation. Il a été intéressant de noter que ces évolutions minérales obéissaient à des mécanismes géochimiques opposés à ceux que l’on peut déchiffrer dans l’altération et la pédogenèse.

Dans la zone de diagenèse, les solutions qui imprègnent les roches peuvent se rassembler dans des failles, ou diaclases, qui leur permettent de se déplacer rapidement. Elles surviennent alors, avec leur température et leur composition, dans un environnement tout à fait étranger à celui qui leur a donné naissance. Des réactions se produisent entre les solutions et l’encaissant. Des dépôts parfois minéralisés se développent, ainsi que l’argilisation des épontes. Ainsi naissent les argiles hydrothermales souvent précieuses: kaolins, bentonites, talcs, etc.

7. La géochimie des argiles

La géochimie est l’application des raisonnements de la chimie à l’étude des minéraux, des roches et des ensembles géologiques. La géochimie des argiles s’est considérablement développée avec le perfectionnement des méthodes de dosage, le développement des calculs de corrélation, etc. Le dosage des éléments traces donne de précieux renseignements sur l’origine des minéraux; il est utilisé pour la prospection géochimique. L’application des principes de la thermodynamique aux interactions «minéraux-solutions» a permis de calculer les conditions de stabilité (fig. 6) de chaque espèce minérale argileuse, puis de construire des modèles de simulation de l’évolution des systèmes naturels. De tels modèles, qui nécessitent des programmes informatiques complexes, ont été construits pour simuler les altérations météoriques, les néoformations dans les bassins évaporatoires et les réactions de la zone de la diagenèse et de l’hydrothermalisme. Ils permettent de prévoir l’ordre de dissolution des minéraux hérités et la nature et l’ordre d’apparition des minéraux secondaires. Enfin, la géochimie a permis d’obtenir des résultats spectaculaires sur l’origine et l’âge des minéraux argileux. Par exemple, la composition isotopique du strontium contenu dans ces minéraux permet de savoir s’ils sont nés par altération de roches profondes ou néoformés dans la mer. D’un autre côté, la géochronologie isotopique fondée sur la radioactivité de certains éléments a été appliquée aux argiles transformées et néoformées. Cela permet de dater, selon les cas, l’âge de la sédimentation ou l’âge de la diagenèse.

8. Les argiles dans le cycle géologique

L’écorce terrestre est composée, aux neuf dixièmes, de roches silicatées: granites, gneiss, schistes et laves océaniques ou continentales diverses. Quand toutes ces roches viennent au jour, et sont soumises aux intempéries, elles s’altèrent: c’est la naissance des argiles . Ensuite, ces argiles sont transportées par les fleuves dans les bassins sédimentaires, et principalement dans les mers, où elles se déposent, avec ou sans transformation. S’y ajoutent les néoformations proprement océaniques, qui dominent dans les grands fonds: c’est l’accumulation des argiles par sédimentation . Enfin, si les séries sédimentaires s’enfouissent vers les zones profondes où pression et température s’élèvent, les argiles recristallisent en illites et chlorites par diagenèse, puis en micas, puis en feldspaths et silicates de profondeur: c’est la mort des argiles .

Quand la tectonique ramène les roches de la profondeur vers la surface, le cycle recommence.

Naissance des argiles par altération continentale ou océanique, évolutions diverses dans les jeux du transport et de la sédimentation, mort des argiles par enfouissement, telle est l’histoire simplifiée des argiles.

Ces minéraux argileux qui forment les roches argileuses ou argiles sont l’état superficiel des silicates de l’écorce terrestre. C’est ce qui explique que l’étude des argiles soit si active, non seulement à cause de leurs fonctions agronomiques et industrielles, mais parce qu’elles sont la forme de passage obligée de la matière silicatée dans le cycle géologique.

Encyclopédie Universelle. 2012.