Minéraux argileux aluminisés des sols : caractérisation structurale par modélisation des diffractogrammes de rayons X et détermination des mécanismes de formation par approche expérimentale

Hydroxy interlayer minerals of soils : structural characterization using X-ray diffraction profile modeling and determination of formation mechanisms by experimental approach

• Auteur / Autrice : Jean-Christophe Viennet
• Direction : Alain Meunier, Marie-Pierre Turpault, Fabien Hubert
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Terres solide et enveloppes superficielles
• Date : Soutenance le 02/09/2015
• Etablissement(s) : Poitiers
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'environnement Gay Lussac (La Rochelle ; 2009-2018)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de chimie des milieux et matériaux de Poitiers (2012-....)
• Partenaire(s) de recherche : faculte : Université de Poitiers. UFR des sciences fondamentales et appliquées
• Jury : Président / Présidente : Isabelle Basile-Doelsch
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Alain Meunier, Marie-Pierre Turpault, Fabien Hubert, Edson Campanhola Bortoluzzi
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Stephen Hillier, Laurent Augusto

Mots clés

Mots clés contrôlés

Rayons X -- Diffraction

Modèles mathématiques

Aluminiage

Minéraux argileux

Sols

Mots clés libres

Sol

Minéraux argileux

Aluminisation

Modélisation

Diffraction des rayons X

Taille des particules

Vermiculite

Soil

Clay minerals

Aluminization

Profile fitting

X-Ray diffraction

Particle size

Vermiculite

Résumé

Le processus d'aluminisation dans les sols acides, conduit à la formation de minéraux argileux hydroxy-alumineux (HIMs). La fixation d'aluminium dans l'espace interfoliaire diminue la réactivité des feuillets expansibles (feuillets HI). La caractérisation des HIMs issus d'un Alocrisol a été réalisée par modélisation des diffractogrammes de rayons X (raies 00l) de la fraction <2 µm et de ses sous-fractions (<0.05, 0.05-0.1, 0.1-0.2 et 0.2-2 µm). Cette étude a montré que les HIMs sont des minéraux interstratifiés à deux ou trois types de feuillets (HI, illites et/ou expansibles). La proportion relative de feuillets HI par rapport à celle des feuillets expansibles diminue avec la taille des particules. La persistance de feuillets illitiques a été observée dans la fraction fine (<0.05 µm). Afin de tester l’effet de la taille des particules sur l'aluminisation, des expériences d'auto-aluminisation de vermiculites saturées K ou Ca séparées en trois fractions (0.1-0.2, 1 2 et 10-20 µm) ont été tentées. Toutes montrent l'importance du couple taille-cation interfoliaire sur le contrôle de l'échange et de la dissolution qui sont les processus de premier ordre pour l'aluminisation. C'est dans les expériences mettant en jeu les K vermiculites que la compétition entre ces deux processus conduit à la formation de minéraux interstratifiés aluminisés à trois composantes similaires à ceux identifiés dans les sols. L'effet de la taille des particules se marque par la persistance de feuillets illitiques comme cela avait été observé dans les fractions infra-micrométriques des sols. La compétition entre échange et dissolution sont donc très probablement le moteur des évolutions minérales dans les sols.

The aluminization process of clay minerals in acidic soils, leads to the formation of hydroxyl interlayered minerals (HIMs). It decreases the reactivity of the clay fraction by the fixation of aluminium in the interlayer space of expandable layers (HI). The characterization of HIMs from an Alocrisol was investigated through X-Ray Diffraction profile modeling (00l reflections) of the <2 µm size fraction and its sub-fractions (<0.05, 0.05-0.1, 0.1-0.2 and 0.2-2 µm). The results obtained highlight the mixed layer structure of HIMs which is composed of two or three different layers (HI, illites and/or expendables). The relative proportion of HI layers compared to that of expandable ones decreases with the particle size. In addition, the persistence of illite layers has been observed in the <0.05 µm size fraction. Auto aluminization experiments of K-or Ca- vermiculite separated in three-sized fraction (0.1-0.2, 1-2 and 10-20 µm) have been conducted in order to test the influence of the particle size on the aluminization process. These experiments exhibit the key role played both by the interlayer cation and the particle size on the cationic exchange and the crystal dissolution. The competition between of ion-exchange reactions and that of mineral dissolution on the K-vermiculite experiment, leads to the formation of 3 component MLMs (HI, illite and expandable) similar to those found in acidic soils. A similar effect of particle size leading to the persistence of illite layers was observed between the experiment products and the infra-micrometric particles of soils. Consequently, it is highly probable that both cation exchange and dissolution are the main processes governing the mineral evolutions in soils.