Chapitre 1 : Contexte général
III.4 Aspects pratiques pour l’acquisition et le calcul des raies 00ℓ
III.4.2 Choix de la méthode d’inversion
Le calcul complet des raies 00ℓ d’un diffractogramme expérimental pour un échantillon polyphasique revient à ajuster l’ensemble des paramètres qui ont été présentés de l’échelle du feuillet à l’échelle de l’agrégat pour chacune des phases présentes, ainsi que les proportions de ces phases. Il est important de rappeler que les paramètres qui sont ajustés n’ont pas pu être ou ne sont pas mesurables. Il est donc nécessaire de gérer un nombre très élevé de paramètres afin de reproduire au plus près le diffractogramme expérimental. Il est essentiel que tous les paramètres ajustés soient concordants avec la nature de l’échantillon.
Le logiciel utilisé (Sybilla©, Chevron Energy Technology Compagny) possède un module d’inversion automatique des paramètres (nous ne connaissons pas l’algorithme utilisé, mais devant le nombre de paramètres à ajuster et du temps de calcul relativement long, il s’agit probablement d’un simplex). Les résultats obtenus n’ont pas été satisfaisants pour les
échantillons de sol qui ont été traités dans cette étude car : soit l’ajustement du diffractogramme expérimental était de mauvaise qualité pour des paramètres réalistes; soit l’ajustement été correct mais pour des paramètres aberrants. Le choix d’inverser manuellement les diffractogrammes expérimentaux a donc été fait.
Deux inconvénients sont liés à l’inversion manuelle. Tout d’abord l’inversion manuelle est très consommatrice en temps, parfois plusieurs mois pour une série d’échantillons. Ensuite, si une solution acceptable est trouvée, compte-tenu du nombre très élevé de paramètres, la solution trouvée n’est pas unique et elle est soumise aux compétences et à la subjectivité de l’utilisateur. Par ailleurs, l’avantage majeur de l’inversion manuelle est la capacité de l’utilisateur à évaluer la validité des paramètres choisis, à partir de ses connaissances sur le milieu et des données annexes.
Afin de limiter le nombre de solutions possibles pour un échantillon, il est nécessaire d’appliquer des contraintes supplémentaires sur les paramètres obtenus. A cet effet, Sakharov et al., 1999 ont développé la méthode Multispecimen. Un échantillon est saturé avec différents types de cations (Na, Ca, Mg, K) et les diffractogrammes expérimentaux sont enregistrés pour l’échantillon à l’état naturel et saturé à l’éthylène glycol pour chacune des saturations homoioniques. La méthode Multispecimen impose que les paramètres ajustés soient similaires pour reproduire l’ensemble des diffractogrammes expérimentaux enregistrés pour les différentes saturations et les différents traitements (aux variations dues aux traitements près). De plus, si l’échantillon est polyphasique, il faut que les proportions des différentes phases restent identiques pour tous les diffractogrammes expérimentaux. Enfin, il est essentiel que les paramètres trouvés soient cohérents sur un ensemble d’échantillons provenant d’une même série (méthode appliquée pour le milieu diagénétique ou hydrothermal).
Il est évident que toutes ces contraintes sont essentielles mais un tel travail déjà fastidieux à mettre en application pour des échantillons de diagénèse prendrait un temps considérable pour traiter des échantillons de sol. Il a donc été obligatoire de limiter les contraintes de la méthode
Multispecimen. Ainsi, pour un échantillon, l’ajustement des paramètres a été réalisé pour les diffractogrammes de l’échantillon saturé avec du calcium (Ca) à l’état naturel (AD) et saturé éthylène glycol (EG). Les contraintes sur les proportions similaires entre les deux traitements et la cohérence des résultats pour des échantillons d’une même série (profil de sol dans le cas présent) ont été conservées.
Stratégie pour l’inversion manuelle
La stratégie appliquée a consisté à introduire le moins de phases possible en utilisant les phases dans l’ordre des plus simples aux plus complexes, pour au final ajuster les proportions et les paramètres d’orientation pour les deux traitements. En pratique, lorsqu’ils sont présents, les minéraux argileux discrets sont introduits en premier car leurs raies 00ℓ sont en général faciles à identifier et les positions sont proches de la rationalité. Les paramètres à l’échelle du feuillet et du cristal sont ajustés au plus proche du diffractogramme expérimental pour les deux traitements. Pour la fraction < 2 µm des sols sous climat tempéré, trois à quatre phases de minéraux argileux discrets sont souvent fréquentes (comme la kaolinite, l’illite ou la chlorite). La suite dépend de la composition de l’échantillon car les autres types de minéraux argileux à introduire sont soit interstratifiés, soit composés de feuillets expansibles, et souvent les deux (interstratifiés avec des feuillets expansibles). Si l’échantillon contient un interstratifié contenant peu (moins de 10 % par exemple) ou pas de feuillets expansibles (illite/chlorite…), il a en général été introduit avant les autres minéraux argileux interstratifiés, si et seulement si, ses raies 00ℓ sont évidentes pour les deux traitements. C’est aussi le cas des minéraux argileux interstratifiés ordonnés qui ont une sur-structure facilement identifiable. Si une phase riche en feuillets expansibles est présente (au moins 70 % de 1 et 2 couches d’eau et d’ethylène glycol) et en quantité suffisante pour être clairement identifiable, elle est introduite et un premier ajustement de ces paramètres est effectué, principalement pour la composition chimique des feuillets et la taille du domaine cohérent. Une première approximation sur ses probabilités d’empilement est alors réalisée. Les dernières phases introduites sont les minéraux argileux interstratifiés qui n’ont pas un type de feuillet en proportion largement dominante. A ce stade, les proportions des différentes phases sont temporairement ajustées pour s’approcher du diffractogramme expérimental et l’ajustement des paramètres concerne essentiellement les probabilités d’empilement des minéraux argileux interstratifiés et expansibles. De nombreuses solutions sont testées pour différentes proportions de feuillets et différents ordres d’empilement. Si une solution acceptable est trouvée pour un des deux traitements, elle est testée pour l’autre. S’il n’y a pas de concordance pour les deux traitements, l’ajustement recommence. Quand une solution est proche pour les deux traitements, l’ajustement final de l’ensemble des paramètres est fait en parallèle pour les deux traitements (principalement les compositions chimiques pour améliorer si nécéssaire la qualité de l’ajustement) et si les paramètres et les proportions sont
valides pour les deux traitements, les paramètres sont ensuite testés pour un autre échantillon du profil de sol.
Si l’échantillon est trop complexe car le nombre de phases est trop important avec des tailles de domaine cohérent très variables (allant de 3 à 19 pour la fraction < 2 µm des sols étudiés), la stratégie peut changer. C’est le cas du sol du chapitre 4. Dans ce cas, il a été nécessaire de calculer les raies 00ℓ pour les fractions les plus fines (< 0.05 µm) pour pouvoir les introduire dans le calcul de la fraction < 2µm et finalement trouver les autres phases plus grossières (supra 0.05-2 µm).
Ces extractions permettent de simplifier le milieu en diminuant le nombre de phases présentes, de les caractériser de façon ‘individuelle’ avant de reconstituer la complexité du milieu.
Chapitre 3: Clay mineral characterisation of
the < 2 µm fraction from experimental site
of Versailles
I Field description of soil profile (Moni, 2008)
Neo Luvisol from loess deposit
Geology... loess deposit overlying limestone (Stampien) Topography... plain
Vegetation ... wheat
Location... Les Closeaux; Versailles; France (48°48’N/02°05’E)
0 – 30 cm - L1 – texture: silt loam – Munsell colour: 10 YR 4/3 – rock fragments: < 1 % – soil humidity: humid – structure: moderate medium to fine subangular blocky – compaction :
low – organic matter: important and homogeneous – macroporosity: important (biological) – biological activity: important (earthworm burrows) – root development: many fine roots – hydromorphy: no – boundary: distinct regular transition – pedologic observations: presence
of exogenous coal
30 – 45 cm - L2 – texture: silt loam – Munsell colour: 10 YR 4/4 – rock fragments: < 1 % – soil humidity: humid – structure: moderate medium to fine subangular blocky – compaction:
medium – organic matter: important and homogeneous – macroporosity: important
(biological) – biological activity: important (earthworm burrows) – root development: many
fine roots – hydromorphy: root associated – boundary: gradual regular transition – pedologic observations: none
45 – 80cm - E – texture: silt loam – Munsell colour: 10 YR 5/4 – rock fragments: < 1 % – soil humidity: humid – structure: moderate medium to fine subangular blocky – compaction:
medium – organic matter: homogeneous – macroporosity: important (biological) – biological activity: important (earthworm burrows) – root development: common and fine roots – hydromorphy: slight, Mn concretions – boundary: gradual regular transition – pedologic observations: none
80 – 100 cm - BT – texture: silty clay loam – Munsell colour: 10 YR 5/4:6/4 – rock fragments: < 1 % – soil humidity: moist – structure: moderate medium to fine subangular blocky – compaction: medium – organic matter: low and homogeneous – macroporosity: important – biological activity: important (earthworm burrows) – root development: common and fine
roots – hydromorphy: slight, Mn concretions – boundary: gradual regular transition – pedologic observations: Clay coating aggregate, features of particle migration. Water table in
April.
100 – 135 cm – BT/M – texture: silty clay loam – Munsell colour: 10 YR 6/3 (grey zones) ;
7.5 YR 6/2 (ochre zones) – rock fragments: < 1 % – soil humidity: moist – structure:
moderate medium to fine subangular blocky to prismatic – compaction: medium – organic matter: low and homogeneous – macroporosity: important – biological activity: none – root development: common and fine roots – hydromorphy: high, Mn concretions, bleached zones
and Fe migration – boundary: gradual regular transition – pedologic observations: Clay
coating aggregate, features of particle migration. Water table in April. Horizon with mottled aspect.
135 – 165 cm – M – texture: silty clay loam – Munsell colour: 10 YR 6/3 (grey zones); 7.5 YR
6/2 (ochre zones) – rock fragments: < 1 % – soil humidity: moist – structure: moderate
medium to fine subangular blocky to prismatic – compaction: medium – organic matter: low
and homogeneous – macroporosity: important – biological activity: none – root development:
common and fine roots – hydromorphy: high, Mn concretions, bleached zones and Fe
migration – boundary: gradual undulating transition – pedologic observations: Clay coating
aggregate, features of particle migration. Water table in April. Horizon with mottled aspect.
165 – 200 cm – IIC – texture: silty clay loam – Munsell colour: 2.5 Y 8/2 (white zones); 10 FR
7/5 (yellow zones) – rock fragments: 15% flints and gravels in the upper erosion zone; < 1 %
below – soil humidity: moist – structure: rock – compaction: very high – organic matter: none – macroporosity: few – biological activity: none – root development: few fine – hydromorphy:
slight – pedologic observations: the upper part of the horizon correspond to an erosion line
and the deeper part to the substratum under the loess deposit. The substratum is limestone with numerous shells of bivalves.
Figure 3.0: photography of the soil profile from the experimental site of Versailles