Minéral argileux

Caractéristiques générales

La structure des minéraux argileux a été déterminée en grande partie par les méthodes de diffraction des rayons X. Les caractéristiques essentielles des silicates à couche hydratée ont été révélées par divers scientifiques, dont Charles Mauguin, Linus C. Pauling, W.W. Jackson, J. West et John W. Gruner, de la fin des années 1920 au milieu des années 1930. Ces caractéristiques sont des feuilles tétraédriques bidimensionnelles continues de composition Si2O5, avec des tétraèdres SiO4 (Figure 1) reliés par le partage de trois coins de chaque tétraèdre pour former un motif de maille hexagonale (Figure 2A). Fréquemment, les atomes de silicium des tétraèdres sont partiellement remplacés par de l’aluminium et, dans une moindre mesure, par du fer ferrique. L’oxygène apical au quatrième coin des tétraèdres, qui est généralement dirigé normalement à la feuille, fait partie d’une feuille octaédrique adjacente dans laquelle les octaèdres sont reliés par des arêtes communes (figure 3). Le plan de jonction entre les feuilles tétraédriques et octaédriques est constitué des atomes d’oxygène apicaux partagés des tétraèdres et des hydroxyles non partagés qui se trouvent au centre de chaque anneau hexagonal des tétraèdres et au même niveau que les atomes d’oxygène apicaux partagés (Figure 4). Les cations courants qui coordonnent les feuillets octaédriques sont Al, Mg, Fe3+ et Fe2+ ; parfois, Li, V, Cr, Mn, Ni, Cu et Zn s’y substituent en quantités considérables. Si des cations divalents (M2+) se trouvent dans les feuillets octaédriques, la composition est M2+/3 (OH)2O4 et tous les octaèdres sont occupés. S’il y a des cations trivalents (M3+), la composition est M3+/2 (OH)2O4 et deux tiers des octaèdres sont occupés, avec l’absence du troisième octaèdre. Le premier type de feuille octaédrique est appelé trioctaédrique, et le second dioctaédrique. Si tous les groupes d’anions sont des ions hydroxyle dans les compositions de feuilles octaédriques, les feuilles résultantes peuvent être exprimées par M2+(OH)2 et M3+(OH)3, respectivement. De tels feuillets, appelés feuillets d’hydroxyde, sont présents seuls, en alternance avec des couches de silicate dans certains minéraux argileux. La brucite, Mg(OH)2, et la gibbsite, Al(OH)3, sont des exemples typiques de minéraux ayant des structures similaires. Il existe deux types principaux de « squelettes » structurels des minéraux argileux, appelés couches de silicate. La couche de silicate unitaire formée par l’alignement d’une feuille octaédrique sur une feuille tétraédrique est appelée couche de silicate 1:1, et la surface exposée de la feuille octaédrique est constituée d’hydroxyles. Dans un autre type, la couche de silicate unitaire consiste en une feuille octaédrique prise en sandwich par deux feuilles tétraédriques orientées dans des directions opposées et est appelée couche de silicate 2:1 (figure 5). Ces caractéristiques structurelles sont toutefois limitées à des arrangements géométriques idéalisés.

Les structures réelles des minéraux argileux contiennent des souches et des distorsions cristallines substantielles, qui produisent des irrégularités telles que des octaèdres et des tétraèdres déformés plutôt que des polyèdres à faces triangulaires équilatérales, une symétrie ditrigonale modifiée par rapport à la symétrie de surface hexagonale idéale, et des surfaces plissées au lieu des plans plats constitués par les atomes d’oxygène basaux du feuillet tétraédrique. L’une des principales causes de ces distorsions est l’inadéquation dimensionnelle entre les feuillets tétraédriques et octaédriques. Si le feuillet tétraédrique contient uniquement du silicium dans le site cationique et présente une symétrie hexagonale idéale, la dimension unitaire la plus longue dans le plan basal est de 9,15 Å, ce qui se situe entre les dimensions correspondantes de 8,6 Å de la gibbsite et de 9,4 Å de la brucite. Pour adapter la feuille tétraédrique à la dimension de la feuille octaédrique, les tétraèdres SiO4 alternés tournent (jusqu’à un maximum théorique de 30°) dans des directions opposées pour déformer le réseau hexagonal idéal en un réseau doublement triangulaire (ditrigonal) (Figure 2B). Grâce à ce mécanisme de distorsion, les feuillets tétraédriques et octaédriques d’une large gamme de compositions résultant de substitutions ioniques peuvent se lier entre eux et maintenir les couches de silicate. Parmi les substitutions ioniques, celles entre ions de tailles nettement différentes affectent le plus significativement les configurations géométriques des couches de silicates.

Une autre caractéristique importante des silicates en couches, en raison de la similitude de leurs structures en feuillets et de leur symétrie hexagonale ou quasi-hexagonale, est que les structures permettent diverses façons d’empiler les plans, feuillets et couches atomiques, ce qui peut s’expliquer par des opérations cristallographiques telles que la translation ou le décalage et la rotation, ce qui les distingue des polymorphes (par exemple, diamant-graphite et calcite-aragonite). Dans le premier cas, il s’agit de variations unidimensionnelles, mais dans le second, elles sont généralement tridimensionnelles. La variété des structures résultant de différentes séquences d’empilement d’une composition chimique fixe est appelée polytypes. Si une telle variété est causée par des substitutions ioniques mineures mais cohérentes, elles sont appelées polytypiques.