L'identification des minéraux argileux est classiquement faite par diffraction des rayons X (DRX), et le plus souvent à partir de dépôts de suspensions sur lames de verre. Très performante, cette technique ne permet que difficilement d'obtenir des informations sur la chimie des minéraux argileux. Or, les minéraux argileux ont des chimies très variables, dues aux nombreuses substitutions cationiques dans les différents sites structuraux. Les analyses chimiques d'argile sont le plus souvent réalisées à des échelles macroscopiques ou mésoscopiques (microsonde, MEB) et les formules structurales déduites de ces données ne reflètent pas toujours la réalité cristallochimique de ces minéraux. La spectroscopie infrarouge (IR) est une méthode simple, rapide et peu coûteuse, donnant des informations cristallochimiques complémentaires nombreuses. Bien que l'attribution des signaux IR soit complexe, délicate et seulement partiellement résolue jusqu'à aujourd'hui, la spectroscopie IR permet, très généralement, de distinguer entre eux des minéraux montrant une grande variabilité chimique au sein d'un groupe (voir [1] pour les micas, [5] pour les smectites et [6] pour les kaolinites). Pour les kaolins, la spectroscopie IR est efficace pour identifier les polymorphes [8].

L'objectif de cet article est de montrer qu'il est possible de réaliser une étude conjointe des minéraux argileux par DRX et spectroscopie IR en utilisant la même préparation : un dépôt de suspension argileuse sur lame de verre.

Les échantillons ont été choisis pour donner une brève vue d'ensemble des possibilités de cette technique. Deux smectites bien décrites dans la littérature ont été utilisées (SAz-1, qui est une montmorillonite de la Source Clay Repository of the Clay Minerals Society, et Ölberg, qui est une montmorillonite riche en fer [7]) et deux kaolins (la kaolinite KGa-2 (Source Clay Repository of the Clay Minerals Society) et la dickite de Sainte-Claire [4]).

Les dépôts d'argile ont été réalisés en utilisant la procédure standard pratiquée pour la DRX [2]. Environ 4 ml d'une suspension argileuse (60 g l⁻¹) sont déposés sur une lame de verre et séchés à l'étuve (90 °C) pendant une nuit. Le dépôt obtenu correspond à 10 à 15 mg d'argile par cm², et à une épaisseur de 30 à 50 μm. Le degré d'orientation des particules d'argile n'est pas mesuré, mais il est considéré comme équivalent à celui obtenu par une compaction à 550×10⁵ Pa [3].

Les spectres infrarouge sont obtenus à l'aide d'un spectromètre à transformée de Fourier Nicolet Magna 760, équipé d'une séparatrice en KBr et d'un détecteur KBr DTGS. Les spectres sont enregistrés entre 2500 et 5000 cm⁻¹, avec une résolution de 4 cm⁻¹. Le bruit de fond est enregistré en transmission à travers une lame de verre propre.

Des spectres IR de poudres ont été réalisés pour comparaison en mode transmission, à l'aide d'un spectromètre à transformée de Fourier Nicolet 510, la résolution étant de 4 cm⁻¹. Le spectromètre est continuellement sous balayage d'air sec pendant l'acquisition (64 scans). Les échantillons sont préparés sous forme de pastilles de KBr pressées (1 mg d'argile et 150 mg de KBr). Pour obtenir des spectres dans le domaine proche IR (au-dessus de 4000 cm⁻¹), le spectromètre Nicolet Magna 760 a été équipé d'une séparatrice en CaF₂, d'un détecteur PbSe, et d'un accessoire de réflexion diffuse (DRIFT) Spectra-Tech.

Les spectres FTIR, dans le domaine des vibrations ν_OH, des échantillons de smectites SAz-1 et Ölberg, obtenus à partir de pastilles de KBr et dépôts orientés sur lames de verre, sont présentés sur la Fig. 1. Pour chaque échantillon, les spectres obtenus à l'aide des deux techniques sont très semblables. Les bandes observées entre 3500 et 3700 cm⁻¹, d'une part, et vers 3400 cm⁻¹, d'autre part, sont caractéristiques des smectites. La bande majeure est due aux vibrations des groupements (OH) structuraux des smectites ; sa position varie en fonction de la chimie de la couche octaédrique et, dans une moindre mesure, de la chimie de la couche tétraédrique. La largeur et les épaulements de cette bande sont ainsi dus aux différents environnements structuraux des groupements (OH) au sein des structures cristallines des smectites. Seule la décomposition des spectres expérimentaux en composantes élémentaires permet d'identifier la contribution de chaque environnement [5]. Cependant, la position des maxima de ces bandes donne des indications claires sur la chimie des smectites. Ainsi, pour la smectite SAz-1, la bande située à 3620 cm⁻¹ caractérise une smectite alumineuse, tandis que, pour l'échantillon Ölberg, la bande à 3560 cm⁻¹ indique qu'il s'agit d'une smectite ferrique [8]. La bande large culminant à 3400 cm⁻¹ est due à l'eau interfoliaire.

Par ailleurs, le spectre (IR) obtenu à partir des agrégats orientés permet également d'étudier les bandes de combinaison ν_OH+δ_OH, au-delà de 4000 cm⁻¹. Sur la Fig. 2, le spectre IR de l'agrégat orienté, dilaté dans ce domaine de nombre d'ondes, apparaı̂t très similaire au spectre de poudre obtenu par réflexion diffuse (DRIFTS).

Les spectres IR de la kaolinite KGa-2 et de la dickite de Sainte-Claire, obtenus à partir de pastilles de KBr et d'agrégats orientés déposés sur lame de verre, sont présentés sur la Fig. 3. Les spectres obtenus par les deux méthodes sont très semblables et permettent aisément de distinguer les deux polymorphes par la position et l'intensité relative des bandes [8].

Les résultats présentés montrent qu'il est possible d'obtenir un spectre IR à partir d'un dépôt d'argile sur une lame de verre, utilisé préalablement pour la DRX. Grâce à cette technique, (i) un spectre IR est obtenu en un temps très court (1–2 min) correspondant à sa seule acquisition (pas de préparation spécifique) ; (ii) le spectre IR est obtenu à partir du même matériel que celui ayant servi à la DRX, ce qui est parfois difficile à réaliser, notamment pour les échantillons hétérogènes.

Bien entendu, cette technique ne remplace pas totalement celle des échantillons pressés dans des pastilles de KBr. En effet, les bandes des groupements Si–O et δ_OH, situées au-dessous de 2000 cm⁻¹, ne peuvent pas être étudiées à cause de l'absorption par la lame de verre. L'étude de la région des bandes ν_OH est cependant souvent très suffisante pour répondre aux questions minéralogiques et/ou cristallochimiques posées (par exemple présence ou absence de kaolinite, distinction entre les polymorphes des kaolins, etc.). Les spectres des minéraux argileux dans le proche infrarouge peuvent aussi être obtenus par cette technique. Bien que moins couramment utilisée, cette région spectrale permet aussi de déterminer la cristallochimie des argiles [6].

Une limitation à l'utilisation des dépôts d'argile sur lame de verre tient à l'orientation des particules par rapport au faisceau IR. L'adsorption du rayonnement IR par une liaison interatomique est en effet maximum, quand le vecteur polarisation associé au mode de vibration est parallèle au vecteur champ électrique du faisceau (c'est-à-dire perpendiculaire à la direction de propagation de ce dernier), et sera minimum quand le vecteur sera perpendiculaire au vecteur champ électrique. Ainsi, pour un dépôt orienté d'argile trioctaédrique, comme le talc, cet effet pléochroı̈que sera maximum pour les modes de vibration ν_OH, puisque leurs vecteurs polarisation, étant parallèles à l'axe cristallographique $c^{*}$, seront perpendiculaires au vecteur champ électrique du faisceau IR. Les bandes ν_OH seront donc d'intensité faible à nulle. Pour les minéraux dioctaédriques, l'angle entre les dipôles O–H et l'axe $c^{*}$ variant entre 75 et 80°, les effets dus à l'orientation des particules seront moins forts. Ils sont, cependant, probablement en partie à l'origine des différences d'intensité observées entre les spectres IR obtenus à partir de pastilles de KBr et d'agrégats orientés (Figs. 1 et 3).

Les dépôts d'argile sur lame de verre, facilement obtenus, pourront par ailleurs se substituer, pour des études en spectroscopie IR spécifiques, à des préparations plus difficiles à réaliser, comme les dépôts sur supports transparents aux IR (AgCl, CaF₂), films autosupportés, ... .

L'approche présentée ici pourra, d'autre part, être efficacement utilisée pour l'étude par spectroscopie IR de lames minces de roche (épaisseur 20 μm), préparées pour des études pétrographiques et collées sur lames de verre, les bandes d'absorption des résines se situant au-dessous de 3200 cm⁻¹.