DISSOLUTION DES MINERAUX PURS

Le but des expériences présentées dans ce chapitre est de décrire l’effet de la minéralogie sur la dissolution du fer d’un point de vue quantitatif (solubilité cinétique du fer) et d’un point de vue qualitatif (état redox du fer dissous). A cette fin, j’ai décidé d’étudier ces paramètres en réalisant des expériences de dissolution, selon les protocoles expérimentaux présentés dans le

chapitre 2, à partir de phases solides identifiées comme des minéraux purs couramment

rencontrés dans les aérosols désertiques. Il s’avère que l’utilisation de matériaux purs procure l’avantage de connaître avec précision leur type de structure cristalline, ce qui, comme nous allons le voir, nous permettra d’expliquer la relation entre les processus de la dissolution du fer et la minéralogie.

Dans la première partie de ce chapitre, j’ai donc cherché à caractériser le plus exhaustivement possible les propriétés chimiques, minéralogiques et physiques de chacun des minéraux choisis. Dans la seconde partie, je vous présenterai les résultats obtenus après une série d’expériences qui visait exclusivement à étudier l’impact des propriétés intrinsèques de la phase solide sur la dissolution du fer. Les résultats et les conclusions obtenus sur cette première partie ont fait l’objet d’une publication au GRL (Journet et al., 2008) qui vous est présentée en annexe 7. Dans un troisième temps, je vous présenterai les résultats d’une série d’expériences qui avaient pour but de tester les paramètres extrinsèques tel le pH ou le choix de l’acide sur la dissolution du fer. Pour finir, nous verrons quelles sont les avancées qu’apportent ces expériences de simulation en laboratoire dans la problématique du contexte biogéochimique exposé tout au long du premier chapitre.

1

D

1.1 Choix des minéraux

Parmi les minéraux identifiés dans les aérosols désertiques (voir figure 3.1), ceux qui sont les plus riches en fer sont la goethite qui est un hydroxyde de fer (FeOOH contenant ~63% de fer en masse) et l’hématite qui est un oxyde de fer (α-Fe2O3 contenant ~70% de fer en masse). Je me suis donc intéressée à la solubilité du fer dans ces minéraux.

80 Cependant, comme leurs teneurs massiques

dans l’aérosol ne dépassent en général pas quelques %, ils ne représentent pas plus de la moitié du fer total contenu dans l’aérosol, l’autre moitié étant issue des minéraux aluminosilicatés (Lafon et al., 2004). En effet nous avons vu (chapitre 1§2.2) qu’une partie du fer de l’aérosol désertique est présent dans les réseaux cristallins des minéraux silicatés (argiles et feldspaths) en tant que substituant d’ions majeurs. Ainsi, dans le but d’étudier la solubilité du fer terrigène, il semble évident de ne pas se limiter aux minéraux riches en fer et de prendre en compte les minéraux de la classe

des aluminosilicates qui composent l’aérosol, tels les argiles et les feldspaths.

En ce qui concerne les argiles, qui représentent plus de 50% de la masse de l’aérosol, les plus couramment rencontrés dans les aérosols terrigènes sont l’illite et la kaolinite. Leurs teneurs y sont assez élevées mais varient selon l’origine de l’aérosol. De plus, on rencontre aussi, dans les aérosols désertiques, des argiles de la classe des smectites, dont la plus courante est la montmorillonite (Delany et al., 1967 ; Chester & Jonhson 1971 ; Chester et al., 1972). J’ai donc travaillé avec ces trois types d’argiles mais, aussi, sur la beidellite car c’est une smectite qu’on trouve dans les mêmes conditions que les montmorillonites (Caillière et al., 1982) et la nontronite qui est de même structure que la beidellite mais dans laquelle le fer remplace presque complètement l’aluminium du réseau cristallin.

Outre les argiles, on rencontre également des minéraux aluminosilicatés de types feldspaths dans lesquels le fer est également présent. Comme il existe trois grandes classes de feldspaths (potassique, calcique, sodique), classés selon la nature des cations impliqués dans la structure du réseau, et que dans la littérature le type de feldspath rencontré dans les aérosols désertiques n’est pas toujours distingué, j’ai choisi d’étudier 2 types de feldspaths : un feldspath potassique, l’orthose, et un feldspath intermédiaire, appelé oligoclase composé d’un mélange d’albite (feldspath sodique) et d’anorthite (feldspath calcique) dans des proportions 80:20 respectivement.

Figure 3.1 : Composition minéralogique moyenne d’un aérosol désertiques d’Afrique du Nord schématisée à partir de données de la littérature (Glaccum et Prospero, 1980 ;

Johnson 1976 ; Delany et al., 1967 ; Avila et al., 1997 ; Chester & Johnson 1971 ; Chester et al., 1972 ; Falkovich et al., 2001)

quartz calcite feldspaths illite kaolinite semctite (hydr-)oxydes de fer smectite

81 Pour finir, j’ai également sélectionné pour cette étude la vermiculite qui a fait l’objet de travaux préalables de solubilité/spéciation du fer lors de la thèse d’Alexandra Sofikitis (2004). Il s’agit d’une argile très riche en fer mais qu’on ne retrouve pas dans les poussières désertiques. Cependant, le choix de cette argile dans le cadre de ces travaux servira de point de comparaison avec les études précédentes réalisées au LISA.

Les minéraux utilisés sont référencés et issus, pour la plupart, de chez Ward’s Natural Science Establishment qui est un fournisseur d’échantillons standards géochimiques. Du coup la plupart des minéraux que nous avons acquis sont référencés au niveau international et ont fait l’objet de diverses études, notamment par la communauté des géochimistes. Il est ainsi possible de trouver certaines de leurs caractéristiques physico-chimiques dans la littérature. Une partie des minéraux que nous n’avions pas en référence, ont été obtenus à la Galerie des Minéraux de Jussieu (Paris). Ces minéraux ne constituant pas des échantillons standard, nous ne disposions donc d’aucune base de données. Le tableau 3.1, qui énumère l’ensemble des minéraux choisis pour cette étude, donne pour chacun d’entre eux, le fournisseur, l’origine quand elle est connue ainsi que la référence correspondante s’il en existe une.

Classe

minéralogique Minéral Fournisseur* Origine référence

Hydroxyde de

fer Goethite WNSE

Biwabik,

Minnessota HS36