Les mélanges synthétiques 

Le but est d’avoir des mélanges suffisamment simples pour acquérir une connaissance des spectres d’interaction liés à la superposition des spectres d’absorption des différentes espèces, sachant que l’additivité des absorbances est un cas idéal. Dans cette étude, les mélanges sont une base théorique intéressante pour calibrer les modèles lors des analyses statistiques, établir des relations fondamentales basées sur les caractéristiques des figures d’absorption propres à ces minéraux et définir les capacités de l’analyse en ondelette.

Ainsi, des mélanges sont constitués à partir de deux puis trois minéraux correspondant aux trois familles de minéraux argileux les plus fréquentes dans les sols (kaolinite, illite et smectite). Les minéraux sont réduits en poudre à l’aide d’un broyeur à bille en agate. Les poudres fines ainsi formées sont mélangées dans les proportions voulues (figure II-12) et re-broyées dans un mortier en agate de manière à favoriser le mélange et l’homogénéité des échantillons. En effet, la taille des particules influence la quantité d’absorption de l’échantillon et l’intensité des pics d’absorption de son spectre. La différence de taille de grain entre les différents constituants du mélange complique alors l’analyse des spectres de mélange dans lesquels l’échantillon le plus grossier devient prédominant (Crowley 1988).

Nous avons présenté la variabilité des spectres en fonction de la composition chimique de quelques minéraux argileux. Dans le cas des mélanges, le spectre résultant est une combinaison non linéaire des spectres des différents éléments du mélange.

Dans le moyen IR, la figure II-13 montre la variabilité spectrale de mélanges comportant de l’illite (du Puy en Velay et du LRPC), de la kaolinite (de Clérac) et la smectite (de la société ABM) en proportions variables. Les spectres correspondant montrent des propriétés intermédiaires aux pôles purs, ces propriétés variant non-linéairement en fonction de la quantité relative de chacun des pôles.

Pour les mélanges contenant à la fois de l’illite et de la smectite, les propriétés spectrales sont assez similaires. L’apparition d’un pic à 3696 cm-1 et de petits pics entre 600 et 900 cm-1 est principalement liée au faible pourcentage de kaolinite présent dans la smectite LRPC (Ivelay/Slrpc_10/90 ; figure II-13a).

En revanche, pour les mélanges contenant de la kaolinite, les spectres sont globalement dominés par les caractéristiques de ce minéral. La forme du spectre et l’intensité des bandes d’absorption sur l’ensemble du domaine infrarouge, augmentent fortement avec la teneur en kaolinite. D’après Joussein et al. (2001) cette augmentation de l’intensité des pics d’absorption suggère que les coefficients d’absorption des pics de la kaolinite sont plus importants que ceux de la smectite ou de l’illite.

Lorsque la teneur en smectite et en illite est largement majoritaire (> 80%) dans le mélange avec la kaolinite, on observe également que l’intensité du pic à 3620 cm-1 est plus importante que celle du pic à 3696 cm-1. D’autre part, dans la région entre 1200 et 400 cm-1, l’augmentation de la kaolinite se traduit par la séparation du pic d’absorption de la liaison Si-O en plusieurs pics et par l’apparition d’un épaulement à 938 cm-1 lié à la liaison AlAlOH (Madejova 2002). Dans le mélange smectite/kaolinite, on peut également noter la migration du pic d’absorption de la liaison Al-O-Si de 541cm-1 à 520 cm-1 lors de l’augmentation de la teneur en kaolinite.

Figure II-13: Exemple de spectres de réflectance de mélanges mécaniques pondéraux d’illite / smectite (a), illite / kaolinite (b), smectite / kaolinite (c) enregistrés dans la gamme du MIR avec le spectromètre IRTF en transmission. L’ensemble des séries allant de 10% à 90% avec un mélange tout les 10%. Les mélanges

Dans le proche IR, l’analyse des mélanges se fait sur une plus grande quantité d’échantillon que dans le MIR (quelques grammes contre quelques milligrammes), améliorant ainsi la représentativité de ce qui est mesuré. Les spectres enregistrés en laboratoire avec le spectromètre ASD FieldSpec FR® et avec le spectromètre IRTF ont des valeurs de réflectance comparables du fait de la similitude de préparation des échantillons et de l’utilisation d’une source artificielle pour le spectromètre de terrain. Cela permet, dans un premier temps, de limiter l’impact de l’atmosphère sur le spectre infrarouge. Ainsi la principale différence entre les deux types de mesure vient de la différence de résolution spatiale et spectrale. En effet, dans les deux cas, le mélange analysé est préparé dans les mêmes conditions, avec un temps identique de séchage en étuve (24h à 90°C).

La figure II-14 présente les spectres de mélanges mécaniques d’illite, de smectite et de kaolinite dans des proportions variables, enregistrés avec le spectromètre de terrain (colonne de gauche) et avec le spectromètre IRTF en mode réflexion diffuse (colonne de droite). Elle montre l’évolution des caractéristiques des figures d’absorption propres à chacun de ces minéraux telles que présentées précédemment.

L’augmentation de la teneur en kaolinite se traduit principalement par l’apparition d’un doublet à 2200 nm et à 1400 nm (noté 3 et 1 sur la figure II-14), ainsi que par l’apparition de petits pics entre 2300 et 2400 nm (zoom figure II-14 c, d, e et f). L’augmentation de la teneur en smectite se traduit principalement par l’augmentation de la profondeur du pic à 1900 nm (noté 2 sur la figure II-14).

L’illite en revanche est beaucoup plus difficile à mettre en évidence dans les mélanges car les figures d’absorption de ce minéral ne sont pas dominantes par rapport à celles de la smectite ou de la kaolinite. Cependant, un décalage de la bande d’absorption de la combinaison de la vibration de déformation des liaisons métal-O-H et la vibration d’élongation de la liaison O-H, est observé de 2213 nm vers 2208 nm lorsque la teneur en illite augmente (voir zooms sur les figures II-14 a et b).

Ces différentes constatations se retrouvent dans des mélanges contenant les trois minéraux (illite, smectite et kaolinite). Notamment, le pic à 1900 nm évolue avec la teneur en smectite et un doublet à 2200 nm et 1400 nm apparaît lors de l’augmentation de la teneur en kaolinite (figures II-14 g et h).

Figure II-14: Spectres de réflectance des mélanges synthétiques (en %) d’illite (I) et/ou smectite (S) et/ou de kaolinite (K) enregistrés dans le visible et le PIR avec le spectromètre de terrain ASD (colonne de gauche) et dans le PIR avec le spectromètre IRTF en réflexion diffuse (colonne de droite). Les chiffres (en

Suite de figure II-14