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Les argiles par la pratique - Cristallochimie, minéralogie, géologie - vuibert - 9782311009910 - Livre - Unitheque.com
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Les argiles par la pratique Cristallochimie, minéralogie, géologie
Ce manuel permet d'assimiler toutes les notions fondamentales en cristallochimie, minéralogie et géologie des argiles par la résolution d'exercices de difficultés progressives, suivis de leurs corrigés détaillés.Comprendre pourquoi les argiles sont si largement répandues sur Terre et dans l'espace aide aussi à saisir l'importance de leur présence au sein de notre [...] [lire le résumé du livre]
Quel est le sujet du livre "Les argiles par la pratique"
Ce manuel permet d'assimiler toutes les notions fondamentales en cristallochimie, minéralogie et géologie des argiles par la résolution d'exercices de difficultés progressives, suivis de leurs corrigés détaillés.
Comprendre pourquoi les argiles sont si largement répandues sur Terre et dans l'espace aide aussi à saisir l'importance de leur présence au sein de notre environnement.
Rédigé à l'attention des étudiants en Licence et en Master des filières Sciences de la Terre et Sciences de l'environnement, cet ouvrage constitue également une excellente base de révision pour tous les candidats aux concours de l'enseignement et ceux des écoles d'ingénieurs.
Auteurs :
Alain Meunier : Agrégé de Sciences de la Terre, professeur à l'université de Poitiers, Alain Meunier enseigne la pétrologie en Licence et la minéralogie des argiles en Master. Il a travaillé sur tous les systèmes géologiques contenant des argiles sur Terre, et même sur Mars. tant d'objets que d'histoire et d'histoires, ces dernières étant devenues, aussi loin que plongent leurs racines, une part de lui - même.
Sommaire
Sommaire et contenu du livre "Les argiles par la pratique - Cristallochimie, minéralogie, géologie"
TABLE DES MATIÈRES
Avant-propos........................................................... 3
CHAPITRE 1. La structure cristalline des phyllosilicates ..... ............. 3
Les cristaux
Exercice 1.1
Utilisation des règles de Pauling . 5
Exercice 1.2
Polyèdres de coordinence . 7
Exercice 1.3
Quelques bases de cristallographie nécessaires . 7
Les silicates . 9
Exercice1.4
Letétraédre(SiO,l+............................................ 9
Exercice1.5
Dimensionsdestétraédres[SiO,]'-et[AJOJ'-....................... ..
Exercice1.6 Lescombinaisonspossiblesdetétraédres.......................... .. II
Les phyllosilicates II
Couches tétraédriques et octaédriques II
Exercice 1.7
La couchetétraédrique........................................ .. II
Exercice1.8
Compositionetdimensionsde lamaille........................... .. 13
Exercice1.9
Symétriede lamaille......................................... .. 14
Exercice 1.10 La géométrie de l'octaédre
Exercice 1.11 Structure trioctaédrique 16
Exercice1.12
Structuredioctaédrique....................................... .. 17
Le feuillet 18
Exercice 1.13 L'accrochage des couches tétraédrique et octaédrique . 18
Exercice 1.14 La déformation des couches tétraédriques . 19
Exercice 1.15 La déformation des couches octaédriques .
Exercice 1. 16 L'accrochage des couches tétraédrique et octaédrique déformées . 21
Exercice 1. 17 Structures 2
: 1 déformées . 21
Exercice 1.18 Structure dioctaédrique cis-vacante . 22
Exercice 1.19 Structure dioctaédrique trans-vacante . 23
Le domaine interfoliaire ... .. .... ... .... .... ... ..... .... ..... ..... ..... .... .. 24
Exercice 1.20 L'épaisseur des domaines interfoliaires 24
Exercice 1.21 Configuration de l'interfoliaire
Exercice 1.22 Configuration de la couche ~ brucitique *............................ 26
Composition chimique de la maille unité , 27
Exercice 1.23 Approche de la formule unité des feuillets , 27
IV LES ARGILES PAR LA PRATIQUE
Le cristal (empilement de feuillets semblables: les polytypes) ... ...... .. .. .. ..... .. .. 28
Exercice 1.24 Empilement de feuillets identiques: les polyrypes . 28
Exercice 1.25 Polyrype 1M . 29
Exercice 1.26 Polyrypes 2M, et 3T . 30
Exercice 1.27 Polyrypes du groupe des kaolins . 30
Exercice 1. 28 Polymorphes de la serpentine . 31
Le cristal (empilement de feuillets différents: les interstratifiés). .... ..... ....... .... .. 32
Exercice 1.29 Les interstratifiés désordonnés . 32
Exercice 1.30 Les interstratifiés ordonnés à ordre maximum . 33
Exercice 1.31 Les interstratifiés ordonnés à ordre panie1 . 34
Exercice 1.32 Les interstratifiés désordonnés avec ségrégation . 35
Exercice 1.33 Application . 36
Les argiles fibreuses (sépiolite-palygorskite) . ..... .. . .... .. .. .. ..... .. .. .. ..... .. 36
Exercice 1.34 Lesargilesfibreuses. ......................................... .. 36
L'identification des structures cristallines des phyllosilicates par diffraction
de rayons X 37
Les fondamentaux de la diffraction de rayons X ................................ .. 37
Exercice 1.35 Longueur d'onde du rayon incident et du rayon diffracté. . . . . . . . . . . . . . .. 37
Exercice1.36
LaloideBragg.............................................. .. 38
Exercice1.37
Applicationde laloideBragg................................... .. 39
La diffraction de rayons Xdes phyllosilicates 41
Exercice 1.40 L'effet du facteur de structure sur l'intensité diffractée
Exercice 1.41 L'effet du facteur de structure sur l'intensité diffractée pour une espéce
Exercice1.38
Diffractionderayons Xd'unphyllosilicate......................... .. 41
Exercice1.39
L'intensitédiffractée.......................................... .. 42
pourdesphyllosilicatesdifférents. ............................... .. 44
de phyllosilicates présentant des compositions différentes. . . . . . . . . . . . . . .. 45
Exercice 1.42 L'influence de la taiUe du domaine cohérent sur l'intensité diffractée. . . . . .. 46
Exercice 1.43 L'influence du facteur'de Lorentz-polarisation sur l'intensité diffractée ..... 47
L'identification des minéraux argileux 48
Exercice1.44
Méthoded'identificationdesespècespures ........................ .. 48
Exercice 1.45 Le. gonflement » dessmectites ................................. .. 50
Exercice 1.46 La signification des (, paliers » degonflement ... .................... .. 51
Exercice1.47
L'effetdelatailledudomaine cohérent........................... .. 51
Exercice 1.48 Identifier les interstratifiés désordonnés à 2 composants. . . . . . . . . . . . . . . .. 52
Exercice 1.49 Identifier les intersrratifiés ordonnés illite/smectite . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 53
Exercice 1.50 Mélanges et interstratifiés 54
La spectroscopie d'infrarouges. . ... .... .... .... ..... ..... ..... ..... ..... ... .. 55
Exercice 1.51 Les groupements cations-OH 55
TABLE DES MATIÈRES V
CHAPITRE 2. La composition chimique des argiles 57
Substitutionscationiquesetsolutionssolides............................... 57
Exercice 2.1
Rayonsioniqueset coordinence................................. .. 57
Exercice2.2
Lesdifférentstypes desolutionssolides........................... .. 57
Exercice2.3
Lalimitedioctaédrique-trioctaédrique............................ .. 58
Exercice 2.4
Distribution aléatoire des substitutions oeraédriques. . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 59
Exercice 2.5
Formation de groupements de cations bivalents (cimiers) . . . . . . . . . . . .. . .. 60
Exercice 2.6
Transition dioctaédrique-trioctaédrique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 61
Exercice2.7
Lessubstitutionstétraédriques. ................................. .. 61
Exercice2.8
Lessiteschargésnégativement.................................. .. 62
Exercice2.9
Lessubstitutionsdans lacoucheimerfoliaire ....................... .. 62
Lecalcul desformulesunités ............................................ .. 63
Les fondamentaux du calcul . ... ... ... .... .... .... .... .... ....... ... ..... . . .. 63
Exercice2.10
Formuleunitéetformule structurale:rappel....................... .. 63
Exercice 2.11 Base de calcul d'une demi-formule unité déshydratée. . . . . . . . . . . . . . . . . .. 64
Application . .. ... ... ... ... ... ... ... .... .... .... ..... .... ..... .. .. ..... . .. 65
Exercice2.12
Calculdedemi-formulesunités................................. .. 65
Exercice 2.13 Demi-formules unités théoriques de solutions solides 67
Exercice 2.14 Demi-formule unité théorique de la solution solide micas-illite. . . . . . . . . . .. 68
Exercice 2.15 Demi-formule unité théorique d'une chlorite tri-tri. . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 69
Le traitement des mélanges de minéraux. ................................ .. 69
Traitement des mélanges de phyllosilicates à composition simple. ...... ..... ..... .. .. 69
Exercice2.16
Mélanged'espècessimples..................................... .. 69
Exercice 2.17 Traitement des mélanges de phyllosilicates présentant des solutions solides .. 71
Exercice2.18
UtilisationdudiagrammeM+-4Si-R2+............................ .. 73
Le calcul de la demi-formule unité des interstratifiés ... .... .... ..... ..... .... . ... .. 74
Exercice2.19
Calculdelademi-formuleunité delacorrensite. .................... .. 74
Exercice 2.20 Structures cristallines possibles de la corrensite . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 76
Applications à la cartographie minérale des matériaux finement divisés. .............. .. 77
Exercice 2.21 Analyses de mélanges complexes de phyllosilicates et autres minéraux 77
Massevolumiquedesprincipauxphyllosilicates ............................ 78
Exercice 2.22 Calcul de la masse volumique de phyllosilicates de type 1
: 1 . 78
Exercice 2.23 Calcul des masses volumiques de la pyrophyllite et du talc (type 2
: 1) . 80
Exercice 2.24 Calcul des masses volumiques des phyllosilicates de types 2
: 1
aveccoucheinterfoliaire(micas). ................................ .. 82
Exercice 2.25 Calcul des masses volumiques des phyllosilicates de type 2:1
expansibles(smectites)........................................ .. 83
Exercice 2.26 Calcul de la masse volumique des phyllosilicates de type 2
: 1: 1
(chloritestri-tri). ............................................ .. 85
Annexe. Lesprincipalesespècesdephyllosilicates ....................... .. 86
VI LES ARGILES PAR LA PRATIQUE
CHAPITRE 3. Bilans énergétiques: thermodynamique -cinétique ...... 89
La thermodynamique de l'équilibre 89
La construction des diagrammes de phases .... .... .... .... ...... .... .. ..... .. .. 89
Exercice 3.1
Dissolution du quartz, de la silice amorphe et de la brucite . . . . . . . . . . . . . .. 90
Exercice 3.2
Diagramme de phases des phyllosilicates magnésiens. . . . . . . . . . . . . . . . . .. 92
Exercice 3.3
Diagramme de phases dans le système Si02-Al20)-Kp-H20 . . . . . . . . . . .. 93
Exercice3.4
Lechampdestabilitéde lamontrnorillonite........................ .. 97
À
quoi servent les diagrammes de phases. .. ... .... ...... .... ..... ... .. .. .... . .. 98
Exercice 3.5
Application à l'étude des équilibres entre solutions solides. . . . . . . . . . . . . .. 99
Exercice 3.6
Dérivation d'un diagramme de phases composition-potentiel chimique ..... lOI
Exercice 3.7 Application de la dérivation dans le système Rh-R3+-Si où R2+ devient mobile 102
La cinétique 104
Exercice 3.8
Le taux de sursaturation 104
Exercice 3.9
Mesurer l'énergie d'activation de la réaction smectite --7 illite 105
Exercice 3.10 L'influence de la teneur en potassium sur l'énergie d'activation de la réaction
smectite --7 illite 108
CHAPITRE 4. Propriétés chimiques et isotopiques des cristaux III
Propriétés chimiques des surfaces III
Exercice 4.1
Calcul théorique de la surface spécifique d'un cristal de kaolinite III
Exercice 4.2
Calculer la surface spécifique d'un feuillet de kaolinite 112
Exercice 4.3
Calcul de la surface spécifique d'une montmorillonite 112
Exercice 4.4
L'identification des surfaces d'un feuillet de kaolinite 113
Exercice 4.5
Les propriétés de la surface siloxane 114
Exercice 4.6 La capacité d'échange cationique (montrnorillonite ; type 2
: 1) Ils
Exercice 4.7
La capacité d'échange cationique et densité de charge
(beidellite ; type 2
: 1) ................................•.......... Ils
Exercice 4.8
La relation entre CEC et densité de charge 116
Exercice 4.9 La localisation des charges à la surface des feuillets de type 2
: 1 117
Exercice 4.10 La sélectivité de l'échange cationique 118
Exercice 4.11 L'eau interfoliaire dans les smectites et les vermiculites 119
Exercice 4.12 L'eau extraite par la chaleur 120
Propriétés isotopiques 122
Exercice 4.13 Le fractionnement isotopique minéral-eau 122
Exercice 4.14 Calcul empirique de l'équation de fractionnement en fonction
de la température 122
Exercice 4.15 Le fractionnement isotopique fonction de la température 124
Exercice 4.16 Interprétation de l'équilibre kaolinite -eau 124
Exercice 4.17 La cinétique de l'équilibre isotopique 125
Exercice 4.18 L'équilibre isotopique entre argiles et solution aqueuse en milieu diagénétique 126
TABLE DES MATIE RES VII
Exercice 4.19 Fractionnement isotopique et géothermomètre 126
Exercice 4.20 L'équilibre isotopique entre phases minérales 127
Exercice 4.21 Influence du rapport eau/roche 129
Exercice 4.22 Étude d'un système fermé: les expériences d'illitisation 130
Datations potassium-argon et argon-argon 131
Exercice 4.23 Fermeture du système potassium-argon dans les phyllosilicates 131
Exercice 4.24 Comment identifier les systèmes fermés et les systèmes ouverts? 132
Exercice 4.25 Isochrone et datation , 133
Exercice 4.26 Comparaison des rapports ,oK/'°Ar et '°ArP'/Ar 134
Exercice 4.27 Datation des sédiments (mélanges argiles détritiques et néoformées) 135
Exercice 4.28 Âge stratigraphique et âge de la diagenèse 136
CHAPITRE 5. Les minéraux argileux des roches altérées et des sols ... 139
Les argiles des sols 139
Exercice 5.1 Altération supergène et sols: un seul système ou deux systèmes distincts? 139
Exercice 5.2 L'argilogenèse dans les sols: mise en évidence 141
Exercice 5.3 L'argilogenèse dans les sols: influence du temps 143
Exercice 5.4 L'identification d'une réaction minérale dans les sols 144
Exercice 5.5 La réaction chlorite ~ minéraux expansibles: influence du temps 145
Exercice 5.6 La réaction d'illitisation : influence du temps dans les sols de polders 146
Exercice 5.7 Les réactions minérales liées à la mise en culture des sols 147
Exercice 5.8 Minéraux argileux typiques des sols: smectite-vermiculite
hydroxy-alumineuse 148
Exercice 5.9 Mécanismes de formation des smectites-vermiculites hydroxy-alumineuses .. 149
Exercice 5.10 La complexité des assemblages argileux dans les sols 151
Exercice 5.11 L'évolution minéralogique dans un sol sur granite 153
Exercice 5.12 Les argiles dans les sols arides 154
Exercice 5.13 Latérites, cuirasses et bauxites 154
L'altération de quelques minéraux primaires (saprock) 155
Exercice 5.14 L'altération des biotites 155
Exercice 5.15 L'altération des muscovites 157
Exercice 5.16 L'altération des cWorites 158
Exercice 5.17 L'altération des feldspaths potassiques 160
Exercice 5.18 L'altération des plagioclases 161
Exercice 5.19 L'altération des amphiboles 162
Exercice 5.20 Les pseudomorphoses (pyroxène transformé en talc) 163
Exercice 5.21 Les olivines pseudomorphosées en iddingsite 164
Exercice 5.22 L'altération des glauconies 165
Minéraux argileux de néogenèse dans les saprolites 167
Exercice 5.23 L'illite des saprolites sur granite 167
Exercice 5.24 Les vermiculites trioctaédriques des saprolites sur gabbro 168
Exercice 5.25 La nontronite des saprolites sur lherzolite serpentinisée 169
VIII LES ARGILES PAR LA PRATIQUE
CHAPITRE 6. Les minéraux argileux des roches sédimentaires 175
Formation des sédiments 175
Exercice 6.1 Le transport à partir des bassins-versants (Gibbs, 1967) 175
Exercice 6.2 La variation de composition des sédiments déposés dans le delta
Exercice 6.3 Les surcroissances de smectite sur des particules argileuses détritiques
Exercice 6.9 Définir un système chimique discriminant pour les argiles ferrifères
de l'Amazone 175
enmilieumarin ...............................................176
Exercice 6.4 Les néogenéses d'argiles dans les lacs salés 177
Exercice 6.5 Le mécanisme géochimique de la néogenése 178
Exercice6.6
Lesdépôts debentonite. ........................................ 180
Exercice 6.7 Bentonites et tonsteins 182
Exercice 6.8 Les argiles des fumeurs noirs 182
et alumineuses 183
Exercice 6.10 La composition des glauconies 185
Exercice 6.11 Glauconies et argiles ferrifères marines 186
Exercice 6.12 Durée du processus de glauconitisation 187
Exercice 6.13 Relation Fe-K dans les glauconies 188
Diagenèse -Métamorphisme de bas grade 189
Séquence des smectites alumineuses-illite 189
Exercice 6.14 Les réactions diagénétiques 189
Exercice 6.15 La cinétique de la réaction d'illitisation 190
Exercice 6.16 La croissance durant l'illitisation des cristaux d'IlS 191
Exercice 6.17 La composition. magique *de l'illite diagénétique 192
Exercice 6.18 Mécanisme cristallochimique de l'illitisation 193
Exercice 6.19 Vers un modéle de croissance des cristallites en cours d'illitisation 194
Exercice 6.20 Âge de dépôt et âge de la diagenèse 195
Exercice 6.21 La signification des âges des ilIites diagénétiques 196
Exercice 6.22 L'illitisation des bentonites 197
Exercice 6.23 Âge des fractions granulométriques des bentonites diagénétiques 198
Diagenèse des argiles autres que les smectites dioctaédriques 200
Exercice 6.26 La composition des argiles ferro-magnésiennes dans la diagenèse
Exercice 6.27 L'analyse d'une série de transformation saponite --4 chlorite
Exercice 6.24 La transition kaolinite-dickite 200
Exercice 6.25 L'origine de la dickite 200
des basaltes 201
(caldera Ohyu, Japon) 203
Exercice 6.28 Le problème de la corrensite 203
TABLE DES MATIÈRES IX
CHAPITRE 7. Les minéraux argileux des systèmes hydrothermaux 20S
Champs géothermiques actifs 20S
Exercice 7.1 Transfert de chaleur: conduction et convection 20S
Exercice 7.2 L'altération pervasive de type propylitique 206
Exercice 7.4 Altérations hydrothermales dans le champ géothermique de Chipilapa,
Exercice 7.9 Origine des smectites trioetaédriques magnésiennes (champ géothermique
de MiJos, Grèce) 21S
Exercice 7.3 Les équilibres dans la solution solide des chlorites 207
Salvador.
20S
Exercice 7.S Les argiles dans les forages CH 7bis et CH S 209
Exercice 7.6 Les smectites alumineuses dioctaédriques dans les champs géothermiques 211
Exercice 7.7 L'origine des montrnorillonites et beidellites de Bouillante 212
Exercice 7.8 Les illites du champ géothermique de Bouillante 213
Champs géothermiques fossiles 216
Exercice 7.10 Systèmes hydrothermaux acides 216
Exercice 7.11 Les systèmes hydrothermaux à donbassite-tosudite
: le gisement de kaolin
d'Échassières (France) 218
Veines et filons 220
Exercice 7.12 L'altération des basaltes sous-marins au contact avec l'eau de mer
Exercice 7.13 Formation de zones d'altération autour de veines hydrothermales
dans l'atoll de Mururoa (polynésie Française) ., 220
dans un granite de Parthenay (France) 222
Exercice 7.14 Le métamorphisme thermique des bentonites 224
CHAPITRE 8. Les minéraux argileux des extrêmes 20S
Argiles des hautes températures -hautes pressions 227
Exercice S.I
Les conditions de déshydratation des smectites 227
Exercice 8.2 Les domaines d'existence des smectites AI et Mg dans l'espace
pression-température 228
Argiles magmatiques 229
Exercice 8.3 La pétrologie des basaltes 229
Exercice 8.4 Teneurs en REE des argiles 231
Exercice 8.S Textures et paragenèses des argiles magmatiques de coulées subaériennes,
sous-marines et de filons (dyke) basaltiques 232
Argiles des zones de subduction 233
Exercice 8.6 Transition sismique-asismique dans les zones de subduction. . . . . . . . . . . . .. 233
Exercice S.7 Avant subduction, état de la croûte océanique 23S
Exercice 8.S Serpentine et chlorite dans le manteau 236
X LES ARGILES PAR LA PRATIQUE
Argiles extraterrestres 237
Exercice 8.9 Les argiles dans les chondrites carbonées 237
Exercice 8.10 La diversité des argiles martiennes 238
Exercice 8. II Les argiles marqueurs de l'histoire géologique de Mars 239
Exercice 8.12 Les argiles dans les météorites martiennes 241
Conclusion 245
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