Argile
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Argile en Estonie
La géophagie (consommation de terre argileuse) est courante chez certains psittacidés, ici dans le parc national de Yasuni en Équateur

L'argile est une roche sédimentaire, composée pour une large part de minéraux spécifiques, silicates en général d'aluminium plus ou moins hydratés, qui présentent une structure feuilletée (phyllosilicates) qui explique leur plasticité, ou bien une structure fibreuse (sépiolite et palygorskite) qui explique leurs qualités d'absorption.

On les classe en trois grandes familles selon l'épaisseur des feuillets (0,7 ou 1 ou 1,4 nm), qui correspondent à un nombre de couches d'oxydes tétraédriques (Si) et octaédriques (Al, Ni, Mg, Fe2+, Fe3+, Mn, Na, K, ...).

L'interstice entre feuillets peut contenir de l'eau ainsi que des ions. Il en résulte des variations de la distance entre feuillets, et donc des variations dimensionnelles macroscopiques de l'argile quand elle s'hydrate (dilatation) ou s'assèche (contraction) pouvant provoquer des fissures.

Sommaire

Différentes sortes d'argile

Les minéraux les plus communs dans les argiles sont :

  • la kaolinite (0,7 nm) (notamment dans le kaolin, en anglais, China clay : « argile de Chine »), de formule Si2O5Al2(OH)4 est blanchâtre, pâteuse et grasse ; on l'utilise en céramique et pas seulement dans la fabrication de la porcelaine (gisement historique, maintenant épuisé, dans la région de Limoges) ;
  • les minéraux du groupe de la halloysite sont composés par le même feuillet que la kaolinite mais leur empilement est désordonné, avec translations aléatoires dans les deux directions a et b. Il existe deux formes d’halloysite :
    • déshydratée, avec la même formule chimique que la kaolinite et épaisseur proche de celle de la kaolinite : 0,72 nm ;
    • hydratée, dont l’épaisseur est environ 1,0 nm, qui correspond à celle de la kaolinite plus une couche d’eau (0,29 nm) ;
  • la montmorillonite, dont une forme, qui a pour formule Si4O10Al5/3Mg1/3Na1/3(OH)2, est connue sous l'appellation de « terre de Sommières » utilisée comme détachant ou comme bentonite employée en génie civil en raison de ses propriétés colloïdales (plastifiant dans les mortiers). À la différence de l’halloysite, plusieurs couches d’eau peuvent prendre place entre deux feuillets de montmorillonite et par conséquent la séparation entre deux feuillets peut aller de 0,96 nm à la séparation complète ;
  • l'illite (1 nm), de formule KAl2(AlSi3O10)(OH)2 est la plus répandue, c'est elle qui sert à la fabrication des objets en terre cuite. La structure des illites est proche de celle des micas mais en diffère par le degré de substitution Si/Al (inférieur dans l’illite), la présence de potassium (inférieure dans l’illite) et pour un certain degré de désordre dans l’empilement des feuillets ;
  • les vermiculites (environ 1,4 nm, comme les chlorites, qui baisse à 1 nm suite à réchauffement). Le feuillet a une composition proche du talc ; toutefois, dans le talc il est neutre, tandis que dans les vermiculites il possède une charge négative, comme dans les chlorites. Cette charge négative est compensée par des ions magnésium hydratés placés entre les feuillets. L’eau d’hydratation des ions magnésium dans la région interfoliaire est éliminée par réchauffement, ce qu’explique la diminution de la période.

Ces minéraux ne se rencontrent pas isolément, mais dans des roches composées d'un mélange de minéraux typiques des argiles et d'autres minéraux ou matériaux associés (sable, oxyde de fer, calcaire, débris végétaux).

En géotechnique, où l'on s'intéresse avant tout au comportement mécanique des sols, on désigne par argile les matériaux de granulométrie inférieure à 2 µm (entre 2 et 50 µm, on parle de limon).

Les terres argileuses sont composées d'éléments très fins, provenant de la dégradation mécanique et chimique de roches préexistantes (en particulier les micas et les feldspaths). On trouve les bancs d'argile dans les sédiments déposés par l'érosion des eaux depuis l'ère Tertiaire, au pied des montagnes et dans les grandes vallées fluviales.

Caractérisation des argiles

Une des manières de reconnaître les argiles est l'analyse par diffraction de rayons X.

Une simple analyse de diffraction ne donne pas de résultat intéressant : les phases cristallines en elles-mêmes ne sont pas différentes d'une argile à l'autre et du fait de la structure en feuillets, l'argile s'oriente lorsqu'on la dépose sur une lame de verre ; cette orientation préférentielle gêne l'analyse.

Pour différencier les argiles, on effectue divers traitements visant à modifier l'espace inter-feuillets : chauffage, acidification... En regardant l'évolution des pics de diffraction aux faibles angles selon le traitement, on peut reconnaître l'argile. Cette analyse se fait sur une fraction granulométrique donnée, obtenue en mettant l'argile en suspension dans l'eau, en agitant et en prélevant à une profondeur donnée après un temps de repos donné.

Outre en géochimie, cette technique est également utilisée par la police scientifique pour essayer de déterminer l'origine des traces de terre qui peuvent constituer un indice lors d'une enquête.

Couleurs

Les particules d'argile ne sont nullement responsables de la couleur du sol. La couleur rouge, orange, jaune, vert, bleu d'un sol (argileux ou non) est due à l'état du fer dans le sol (oxydé dans les trois premiers cas et réduit dans les deux derniers). Lorsque le sol est de couleur tendant vers le blanc, c'est que cet élément a été dissous et évacué hors du profil.

Par ailleurs, argile (nom masculin) est le nom d'une couleur d'un gris neutre très pâle tirant sur le blanc.

Chimie

Dans l’eau, les particules d’argile se comportent comme des gouttes d’huile dans la vinaigrette : elles se regroupent et forment des « micelles » en suspension : on dit que l’argile est à l’état « dispersé ». La présence de sels minéraux dissous portant des charges positives (Ca, Mg, K, Na, NH4, Fe, ...) provoque la liaison des micelles entre elles : l'argile est floculée. Cette propriété des argiles va lui permettre d'être liquide à l'état dispersé, pâteuse dans la boue et solide dans un sol sec. L'argile est un colloïde qui flocule avec des ions +.

Formation

Les argiles désignent de très fines particules de matière arrachées aux roches par l'érosion. Observées au microscope, elles ont la forme de plaquettes, ce qui explique leur plasticité. La plupart de ces particules proviennent de la désagrégation de roches silicatées : du granite (mica et feldspath), du gneiss ou encore des schistes. Ces particules sont transportées par le vent ou l'eau sous forme de limon ou de vase. Les fleuves véhiculent des argiles qui finissent par se déposer en alluvions, dans le cours d'eau lui-même, à son embouchure, dans un lac ou dans la mer. Les dépôts peuvent alors sédimenter et former une roche argileuse par diagenèse : déshydratation et compactage. En tant que roches sédimentaires, les affleurements argileux présentent une succession de strates empilées les unes sur les autres, qui ressemblent à un feuillet.

Argiles néo-formées : les racines, en symbiose avec les micro-organismes du sol, se nourrissent des roches, et sécrètent pour les dissoudre des acides : les racines, grâce aux sucres issu de leur photosynthèse, fournissent l'énergie nécessaire aux micro-organismes pour qu'ils transforment la roche en éléments absorbables par les racines. Les besoins des plantes en silice, fer et aluminium sont infimes, or ce sont les éléments constitutifs de la croûte terrestre majoritaires (Silicium 26%, Aluminium 7%, Fer 4%). Donc à mesure que les autres éléments sont prélevés et exportés définitivement (recyclage constant) en surface pour nourrir la plante et le sol, ces trois derniers restent et se concentrent jusqu'à saturation -d'autant plus vite que ces éléments sont déjà majoritaires. Ils recristallisent alors en argiles (formation d'un précipité, c'est de cette façon que l'on obtient le sel marin dans un marais salant). Après la dissolution du calcaire, les argiles se forment puis tapissent les dépressions karstiques (les dolines).

Utilisation

Mur à colombage en torchis

L’argile est un des plus anciens matériaux utilisés par l’homme. Pétrie avec de l’eau, elle donne une pâte plastique qui peut être facilement moulée ou mise en forme. Après cuisson, elle donne un objet résistant et imperméable. Il est à noter que l'argile sans cuisson ne permet pas d'effectuer autant de détails puisqu'elle est beaucoup plus molle. Ces propriétés remarquables sont à l’origine de son utilisation très ancienne pour réaliser des objets en céramique, en porcelaine... Briques et tuiles sont également fabriquées à partir d’un mélange d’argile et d’eau moulé sous pression et cuit à température suffisamment élevée (1000 à 1 200 °C).

Terre cuite

L'argile hydratée est malléable, elle peut être mise en forme ; mise au four (« cuite ») elle prend une consistance solide. Ces propriétés en font un matériau de choix pour la fabrication d'objets.

Une terre argileuse destinée à la cuisson est souvent appelée « glaise » ou « terre glaise ».

On peut appeler la plus grande partie des argiles par les termes « terres à faïence » ou « argiles communes ». Ces argiles contiennent assez de fer et d'autres impuretés minérales pour devenir dures, cuites de 950 à 1 100 °C environ. À l'état naturel, elles sont grises, verdâtres, rouges ou brunes à cause de l'oxyde de fer et autres comme l'oxyde de titane qu'elles contiennent.

Cuites, leur couleur peut aller du blanc, du rose au noir en passant par toutes les variétés de jaune, rouge, brun, suivant la qualité particulière de chaque argile et les conditions de cuisson. La majorité des poteries dans le monde sont faites avec ce genre d'argile, ainsi que les briques, les tuiles, les tuyaux et autres productions similaires.

L'argile rouge commune peut être très plastique, et même trop plastique et trop collante pour être employée seule ; d'autre part, il arrive qu'elle ne le soit pratiquement pas à cause de la présence de sable ou d'autres débris rocheux.

Le potier et le sculpteur recherchent une terre à faïence douce et plastique, qu'ils peuvent éventuellement modifier en ajoutant un peu de sable d'argile non plastique, de la chamotte, ou des fibres de cellulose.

Le briquetier, lui, recherche une terre moins fine contenant du sable et d'autres débris non plastiques, qu'il pourra presser, sécher et cuire, sans crainte de gauchissement, de fentes ou de retrait excessif.

Enfin on peut pratiquer une « minéralurgie » pour éliminer ou ajouter les éléments indésirables ou nécessaires sur les argiles, afin de leur donner les caractéristiques nécessaires à leur utilisation plus ou moins industrielle.

Terre crue

La terre-argile est utilisée en particulier pour les vertus thérapeutiques de l'argile.

La terre-papier est une argile contenant des fibres de cellulose, qui présente une grande résistance lorsqu'elle est sèche. La terre-papier est un matériau de création et de décoration qui adhère sur toute surface poreuse et peut recevoir des peintures, pigments et patines.

Sols argileux et agriculture

Les argiles sont des colloïdes constituées de fines particules (micelles) portant chacune une charge électrique de même signe en suspension dans un milieu, l’autre colloïde du sol étant l’humus. Ces deux éléments s’associent grâce à l'action des lombrics pour former le complexe argilo-humique qui est la base du système permettant aux plantes de se nourrir grâce aux minéraux stockés dans ce complexe.

L’argile a la propriété de se retrouver dans deux états réversibles :

  • elle peut être dispersée. Dans ce cas elle s'infiltre entre les éléments sableux et ne se soude pas en agrégat. Avec la pluie l'argile se gonfle et empêche l'eau et l'air de pénétrer dans le sol. Le sol se glace. En séchant le sol se crevasse ;
  • elle peut être floculée. L'argile est agrégée en petites mottes. Dans cet état elle n'est pas diluée par l'eau. L'eau et l'air peuvent passer entre les agrégats. Avec la présence de l'argile les agrégats retiennent de l'eau.

Dans le sol, le calcium (apporté si nécessaire par un chaulage) permettra de floculer l'argile (entre autres). Ce calcium peut provenir de sels calciques ou de chaux. Le calcium Ca2+ ayant deux charges positives va pouvoir retenir deux micelles d’argile qui elle est chargée négativement.

Une fois ces paramètres intégrés, on comprend aussi que les actions mécaniques n’ont aucune influence sur ce phénomène. On peut, par exemple, laisser geler des mottes sans action à long terme sur les micelles d’argile, dès la première pluie le phénomène va se reproduire.

Dans tous les cas, lors d'une culture sans labour, on ne pourra pas forcer la fragmentation par une action mécanique. Certains indiquent que les vers de terre se chargent de cette action mécanique en creusant leurs galeries, mais l'apport principal des lombrics se situent au niveau de leur estomac qui permet l’humification des matières organiques et la constitution du complexe argilo-humique.

Le CAH (complexe argilo-humique) permet l’association des deux colloïdes du sol et est beaucoup plus stable que la floculation unique, toujours grâce à l’action des liens ioniques.

L'incorporation de bois raméal fragmenté aboutit souvent à un échec car on ajoute dans le sol de grosses particules indissociables et les micelles d’argile en dispersion continueront à gonfler, asphyxier et se rétracter.

Les engrais verts peuvent permettre de limiter le phénomène mais seul un bon drainage des sols argileux permet d'éviter que l'eau en remontant en hiver ne lessive le sol et engloutisse les CAH.

Par ailleurs, un sol argileux présente l'inconvénient de se réchauffer moins vite au printemps. En effet, l’air chauffe plus vite que l’eau et un sol gorgé d’eau n’a plus d’air, donc se réchauffe moins vite.

Autres utilisations

Des chercheurs en science des matériaux travaillent sur l'intégration d'argile dans des polymères. Les plaquettes d'argiles peuvent produire un renforcement (déviation des fissures dans les polymères « choc », c'est-à-dire devant résister aux chocs). Par ailleurs, elles peuvent gêner la diffusion de gaz, et notamment de gaz combustibles issus de la pyrolyse lors d'un feu, améliorant ainsi la résistance au feu du polymère.

Certaines argiles kaolinites très pures permettent de rendre la pâte à papier blanche ; toutefois ce procédé est de moins en moins utilisé, il est remplacé par l'ajout de carbonate de calcium précipité.

Dans les peintures, l'ajout de charges minérales comme la bentonite permet d'obtenir la rhéologie souhaitée et améliore aussi la stabilité des suspensions (cataphorèse).

Certaines argiles sont utilisées en fonderie, pour réaliser les moules.

L'argile était utilisée par la civilisation summéro-akadienne (les Sumériens de Mésopotamie). De petites boules d'argile étaient aplaties pour former un rectangle approximatif afin de pouvoir y inscrire de l'écriture cunéiforme. Les Sumériens utilisaient des sortes de sceau-cylindre. Ces cylindres étaient gravés à l'intaille et lorsqu'on les faisait rouler en appuyant sur l'argile, ils laissaient une empreinte en relief.

Références


Voir aussi

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