Module Pédologie générale et potentialité des sols. PG2 Les constituants minéraux

Transcription

1 Module Pédologie générale et potentialité des sols PG2 Les constituants minéraux Deux approches pour étudier les constituants minéraux des sols = 1 Taille des particules élémentaires Texture du sol 2 Nature minéralogique des particules élémentaires Les carbonates Les silicates

2 2 Les différents minéraux des sols 2-1 Les carbonates En Les climat protons ont tempéré diverse origines et en: l essentielle l absenceest d autres la dissolution sels du CO2 abondants, dans l eau la présence des carbonates dans un profil de sol fixe un paramètre essentiel = ph CO2 + H2O donne H+ +HCO3- ou acide carbonique H 2 CO 3 Tant qu il y a CaCO 3 soluble présent dans le profil ph > 7 2 H + + CaCO 3 2 (HCO 3- ) + Ca ++ Plus un sol est riche en calcaires, plus il est susceptible d être le siège de fortes élévations de ph Même si les calcaires sont présents sous forme de traces, ils vont primer sur les conditions physico-chimiques Quantification des calcaires CaCO 3 + 2HCl Ca Cl - + H 2 O + CO 2

3 CaCO 3 + 2HCl Ca Cl - + H 2 O + CO 2 Le Calcimètre du type Bernard pour le dosage du calcaire total De traces à 5 % horizon peu calcaire De 5 à 25 % horizon modérément calcaire De 25 à 50 % horizon fortement calcaire De 50 à 80 % horizon très fortement calcaire > 80 % Excessivement calcaire Horizon d accumulation du calcaire BCa ou K Selon Pansu et Gautheyrou, 2003

4 La teneur en calcaire total ne renseigne pas sur la solubilité de ce calcaire Quand elle > 10 %, on dose «Le calcaire actif» = celui que se dissous après 2 h de contact dans l oxalate d ammonium (Drouineau, 1942) Dupuis, 1975

5 Les risques de chlorose ferrique dépendent de la teneur en calcaire actif. De 4 à 5 % CaCO 3 «actif» pas ou peu chlorosant De 5 à 7 % CO3 «actif» De 7 à 12 % CaCO3 «actif» De 12 à 20 % CaCO3 «actif» légèrement chlorosant chlorosant très chlorosant > 20 % CaCO3 «actif» extrêmement chlorosant Indice de pouvoir chlorosant définit par Juste et Pouget (1972) : IPC CaCO actif en = ppm% ( Fer ext en ) L IPC qui varie de 0 (risque de chlorose nul) à plus de 100 (risque de chlorose très élevé), permet de choisir un portegreffe adapté au risque de chlorose.

6 Indice de pouvoir chlorosant définit par Juste et Pouget (1972) : IPC CaCO actif en = ppm% ( Fer ext en ) L IPC qui varie de 0 (risque de chlorose nul) à plus de 100 (risque de chlorose très élevé), permet de choisir un portegreffe adapté au risque de chlorose.

7 2 Les différents minéraux des sols 2-2 Les silicates Ils sont largement les plus abondants dans les sols et les sous-sols de la croûte terrestre Ti 0,44 H 0,14 P 0,11 Mn 0,10 Extrait de Wild, 1993

8 PG2 Les constituants minéraux Deux approches pour étudier les constituants minéraux des sols = 1 Taille des particules élémentaires Texture du sol 2 Nature minéralogique des particules élémentaires Les carbonates Les silicates (= 92 % masse écorse terrestre)

9 Structure en tétraèdre des silicates (d après White, 1997) (Si0 4 ) 4- Les ions O 2- sont les éléments principaux des silicates, les ions Si 4+ sont toujours logés dans des lacunes tétraédriques, les autres éléments Mg, Fe, Na, K, Ca se placeront dans les lacunes restantes en fonction de leur rayon ionique. Rayon ioniques des principaux atomes constituants les minéraux (Pauling, 1949) Si Al Fe Mg Fe Na Ca K O 0,39 0,5 Ǻ 0,64 0,65 0,75 0,97 0,99 1,33 1,40

10 Structure des silicates La classification des silicates est basée sur leur structure que l on décrit selon le mode d enchaînement par les sommets des tétraèdres. Les ions Mg, Fe, Na, K, Ca se placent dans les lacunes restantes selon leur taille. 1 er gpe : tétraèdres indépendants : les nésosilicates (gr nésos = île) (Si0 4 ) 4- (Fe, Mg) 2 : Péridots = Olivines Ca : grenat Zr : Zircon 2 er gpe : 2 tétraèdres liés par leur sommets les sorosilicates

11 3 er gpe : Tétraèdres liés par leurs sommets en boucles : les cyclosilicates (Si 6 O 18 ) 12- (Be 2+,Al 3+ ) Le Béryl (Emeraude, Aigue Marine), grpe de la Tourmaline des granites et pegmatites

12 Le Béryl (Emeraude, Aigue Marine), grpe de la Tourmaline des granites et pegmatites 4 er gpe : Chaînes ouvertes de tétraèdres : les Inosilicates Les Inosilicates en chaînes : Pyroxènes (Si 2 O 6 ) -4 Fe, Mg, Al : cations moyens Ca, Na : gros cations Minéraux très répandus dans les roches métamorphiques et plutoniques. Ex Augite dans les Gabbro

13 Minéraux très répandus dans les roches métamorphiques et plutoniques. Ex Augite dans les Gabbro. 4 er gpe : Chaînes ouvertes de tétraèdres : les Inosilicates Les Inosilicates en rubans : Amphiboles (Si 4 O 11 ) - 6 K, Na : gros cation Ca, Fe, Mg, Al, Ti, Si Minéraux très répandus dans les toutes les roches éruptives. Ex Amphibole sodique = Amiante.

14 Minéraux très répandus dans les toutes les roches éruptives. Ex Amphibole sodique = Amiante. 5 er gpe : Feuillets plans : les Phyllosilicates (phullon gr feuille) 6 er gpe : Tétraèdres liés par tous leurs sommets dans les trois dimensions : les Tectosilicates : Quartz et Feldspaths Feldspath potassique : Orthose [Si 3 AlO 8 ]K Plagioclase calcosodique : - Albite [Si 3 AlO 8 ]Na - Anorthite [Si 2 Al 2 O 8 ]Ca

15 Composition des principales roches éruptives (Duchaufour, 1995)

16 Altération: ces minéraux se sont formés à haute température et en absence d'eau; en conséquence, ils seront très altérables au contact de l'humidité atmosphérique «Les minéraux sont d'autant plus altérables que leurs conditions de genèse diffèrent de celles qui règnent à la surface» (Goldich, 1938) Echelle d altérabilité des minéraux selon Goldich

17 (Si ) 2- Structure des phyllosilicates

18 (Si ) 2- OH - OH -

19 O OH - (Si ) 2- OH -

20 O OH - OH - (Si ) 2- OH - (OH - ) 3 (Si ) 2- (OH - ) 4

21 O OH - OH - Al (Si ) 2- (OH - ) 4

22 Lacune tétraédrique et octaédrique

23 O OH - OH - Al (Si ) 2- (OH - ) 4

24 O OH - OH - Al (Si ) 2- (OH - ) 4 Seulement 2 cavités sur 3 sont occupées par des Al 3+ Argile dioctaédrique

25 O OH - OH - Al (Si ) 2- (OH - ) 4 (Al 3+ ) 2 (Si )(OH) 4 Al 2 = Kaolinite

26 La kaolinite est l argile la plus simple. Te Oc Phyllite à deux couches Si les feuillets étaient prolongés à l infini alors ils seraient électriquement neutres. Fractures des feuillets = charge < 0. C est l argile la plus riche en Al, la + pauvre en Si rapport SiO 2 /Al 2 O 3 = 2 (Si )(OH) 4 Al 2 = (Si )(OH) 8 Al 4 = Kaolinite Argile 1/1 Argile dioctaédrique

27 Te Oc Phyllites à trois couches Gpe des Micas - Illites - Vermiculites Gpe des Smectites - Montmorillonites Te Argiles 2/1 ou T-O-T (Si ) Al 2 (OH) 2 Pyrophyllite Phyllites à quatre couches Gpe des Chlorites Argiles 2/2 ou T-O-T-O

28 Rayon ioniques des principaux atomes constituants les minéraux (Pauling, 1949) Si Al Fe Mg Fe Na Ca K O 0,39 0,5 Ǻ 0,64 0,65 0,75 0,9 0,99 1,33 1,40 Extrait de Wild, 1993

29 Substitution isomorphique Les couches tétraédriques = «couches de silice» (Al 3+ ) au lieu de (Si 4+ ) Déficit de charge du feuillet Les couches octaédriques = «couches de gibbsite» Al(OH) 3 2/3 des cavités sont occupées = argiles dioctaédriques Mg dans la couche octaédrique = «couche brucite» Mg(OH) 2 Toules les cavités sont occupées = argiles trioctaédriques Substitution par des cations de valence inf Déficit de charge du feuillet

30 La classification des argiles est basée sur ces substitutions isomorphiques A Modèle Te-Oc (1/1) Pas ou très peu de substitution : dioctaédrique - Epaisseur cste des feuillets (7Ǻ) Kaolinite (Si ) 2-7 Ᾰ (Al 2 (OH) 4 ) 2+ Structure de la Kaolinite (d après White, 1997) avec liaisons hydrogène entre les feuillets

31 La classification des Phyllosilicates est basée sur l organisation des feuillets et les substitutions isomorphiques A Modèle Te-Oc (1/1) Pas ou très peu de substitution : dioctaédrique - Epaisseur cste des feuillets (7Ǻ) Kaolinite B Modèle Te-Oc-Te (2/1) Substitutions tétraédriques : argiles micacées (fort pouvoir fix K) - Dioctaédrique (Al domine ds les octaèdres) Muscovite - Trioctaédrique (Mg domine ds les octaèdres) Biotite [(Al Si ) (Mg 3,Fe 3 )OH 2 ] -1 [K] +1 Biotite

32 A Modèle Te-Oc (1/1) Pas ou très peu de substitution : dioctaédrique - Epaisseur cste des feuillets (7Ǻ) Kaolinite - Epaisseur variable (intercalation H 2 O : 10Ǻ) Halloysite B Modèle Te-Oc-Te (2/1) Substitutions tétraédriques : argiles micacées (fort pouvoir fix K) - Dioctaédrique (Al domine ds les octaèdres) Muscovite Epaisseur cste feuillets (10Ǻ) Illite [(Si 4-x Al x 0 10 ) (Al 2 )OH 2 ] -x [K + ] x - Trioctaédrique (Mg domine ds les octaèdres) Biotite Epaisseur variable feuillets (15Ǻ) Vermiculite [(Si 4-x Al x 0 10 ) (Mg 3-y Al y )OH 2 ] -(x-y) [Mg,Al,Fe 2+ ] (x-y)

33 A Modèle Te-Oc (1/1) Pas ou très peu de substitution : dioctaédrique - Epaisseur cste des feuillets (7Ǻ) Kaolinite - Epaisseur variable (intercalation H 2 O : 10Ǻ) Halloysite B Modèle Te-Oc-Te (2/1) - Dioctaédrique - Trio. Illite 10Ǻ [(Si 4-x Al x 0 10 ) Al 2 (OH) 2 ] -(x+y) [K + ] (x+y) Vermiculite 15 Ǻ [(Si 4-x Al x 0 10 ) (Mg 3-y Al y )OH 2 ] -(x-y) [Mg,Al,Fe 2+ ] (x-y) Substitutions octaédriques : (gpe des Smectites feuillets >20 Ǻ) Du grec «Smectos» «je nettoie» - Dioctaédrique [(Si ) (Al 2-y Fe,Mg y )OH 2 ] -(x+y) [M + ] (x+y) Montmorillonite

34 A Modèle Te-Oc (1/1) Pas ou très peu de substitution : dioctaédrique - Epaisseur cste des feuillets (7Ǻ) Kaolinite - Epaisseur variable (intercalation H 2 O : 10Ǻ) Halloysite B Modèle Te-Oc-Te (2/1) - Dioctaédrique - Trio. Illite 10Ǻ [(Si 4-x Al x 0 10 ) Al 2 (OH) 2 ] -(x+y) [K + ] (x+y) Vermiculite 15 Ǻ [(Si 4-x Al x 0 10 ) (Mg 3-y Al,Fe y )OH 2 ] -(x-y) [Mg,Al,Fe 2+ ] (x+y) Substitutions octaédriques : (gpe des Smectites feuillets >20 Ǻ) Du grec «Smectos» «je nettoie» - Dioctaédrique [(Si ) (Al 2-y Fe,Mg y )OH 2 ] -(x+y) [M + ] (x+y) Montmorillonite C Modèle Te-Oc-Te -Oc (2/2) Gpe des Chlorites 14Ǻ

35 1/1 2/1 2/2 Illite kaolinite illite vermiculite smectite

36 Ces cations échangeables sont le garde manger des végétaux en terme de nutrition en Ca ++, Mg ++, K +, NH 4+, Fe ++, Zn ++, Cu ++

37 Capacité d échange cationique = nombre de charges négatives à la surface des argiles compensées par des cations pouvant être échangés avec des cations très abondants dans la solution du sol On l exprime en nombre de charges, l unité est la mole de charges /100g = 6, charges /100g On l exprimait en eq/100g = 1 mole de charges /100g = 6, charges /100g 1 meq /100g = 1mmole c /100g = 1cmole c /kg Nombre de cations adsorbés (mmole c /100g) nombre d'avogadro = 6,

38 Capacité d échange cationique = nombre de charges négatives à la surface des argiles compensées par des cations pouvant être échangés avec des cations très abondants dans la solution du sol On l exprime en nombre de charges ou plutôt en multiple de 6, charges, cad en «mole de charges» par analogie à la «mole» = 6, atomes (nombre d'avogadro) 1 mole charge = 1 mol c = 1 mol (+)

39 1 mole charge = 1 mol c = 1 mol (+) «1 Ca ++ pèse 40 g» = 1 mole (d atomes) de Ca ++ pèse 40 g 40 g Ca ++ pèse 40 g et portent deux moles de charge 40 g Ca ++ = 2 mol c 20 g Ca ++ = 1 mol c 20 mg Ca ++ = 1 mmol c = 1 meq 1 équivalent = 1 mole charge = 1 mol c = 1 mol (+) 1 meq = mole charge = 1 mol c

40 1 meq/100g = 1 mmole c /100g = 1 cmol c /kg 1 meq/100g = 1 cmol c /kg Nombre de cations adsorbés (mmole c /100g)