Approche par synthèse minérale du système Al-Fe dans les smectites
par Pauline Andrieux
Thèse de doctorat en Sciences de la Terre. Terre solide et enveloppes superficielles
Sous la direction de Sabine Petit.
Soutenue en 2010
à Poitiers .
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Résumé
L’approche par synthèses minérales permet de mieux cerner les conditions de formation des minéraux argileux. Cette approche permet aussi de contraindre la cristallochimie de ces minéraux et ainsi de mieux interpréter leurs signatures spectroscopiques. Il est important pour cela de pouvoir connaître et maîtriser les conditions de synthèse des minéraux argileux que l’on veut étudier. Le but de cette thèse était dans un premier temps de déterminer les conditions de synthèse favorables à la formation de smectites alumino-ferrifères. De nombreux paramètres ont été testés (coprécipitation du gel de départ, état d’oxydation du gel de départ, pH, température). Le pH est un critère très important pour la réussite de la synthèse. En effet, il varie en fonction des teneurs respectives en Al et en Fe3+. La température doit également être ajustée tout au long de la série. Ainsi, en ajustant le pH et la température, des smectites alumino-ferrifères dans une large gamme de compositions chimiques ont été synthétisées tout au long de la série chimique. Elles ont été obtenues par traitement hydrothermal, à des températures entre 150 et 240°C, des pressions de vapeur d’eau saturante, de gels de compositions variables, pour des durées de synthèse variant de 13 jours à 2 mois et demi. Dans un second temps, les smectites synthétisées ont été étudiées par DRX, MET, IR (NIR et MIR), EXAFS au seuil K et au seuil L du Fe, et 27Al MAS RMN. La confrontation des données issues de ces différentes techniques montre que la solution solide Al-Fe3+ dans les smectites entre les deux pôles beidellite et nontronite est complète sans nécessairement la présence de Mg2+ dans le système comme il était suggéré jusqu’alors dans la littérature. Les smectites synthétisées à compositions Al-Fe3+ variables constituent donc une bonne série de référence pour les études spectroscopiques et pour les applications en tant que géomatériaux et nanomatériaux.
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Titre traduit
The Al-Fe3+ in smectites : an experimental approach
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Résumé
Synthesis in laboratory allows control of the chemical makeup and the conditions for crystallization of clay minerals. Clay synthesis is then a useful approach for understanding natural clay minerals formation. Furthermore, synthetic clays can be used to constrain the crystal-chemistry of these minerals, and thus as reference samples for spectroscopic interpretations. The purpose of this project was first to determine the conditions of synthesis favorable to form Al-Fe3+ smectites. These smectites of the beidellite (Al)-nontronite (Fe3+) series exist in nature but have never been synthesized in laboratory in a wide range of chemical compositions. Many parameters have been tested (starting gel, pH and temperature). PH is a key parameter in the synthesis of dioctahedral smectites. Indeed, pH varies with the Al and Fe3+ content. Temperature also needs to be adjusted along the chemical series. Adjusting these two parameters (pH and temperature), Al-Fe3+ smectites in a wide range of chemical compositions have been synthesized. These smectites were synthesized by hydrothermal treatments from coprecipitated gels. The hydrothermal syntheses were performed at different temperatures from 150 to 240°C under equilibrium vapor pressure. Ageing time varies from days to several months. In a second step, the synthesized smectites have been analyzed by X-Ray Diffraction (XRD), infrared spectroscopy (IR in the near and the middle region, respectively NIR and MIR), Extended X-ray Absorption Fine Structure (EXAFS at the Fe K-edge and Fe L-edge) and Nuclear Magnetic Resonance (NMR) spectroscopies. The results show that the Al-Fe3+ solid-solution between beidellite and nontronite end-members is complete. The series of synthesized smectites with variable Al and Fe3+ compositions is a good series for spectroscopic studies and for various applications in geomaterials or nanomaterials fields.
